運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”)是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號(hào)可以是輸入信號(hào)加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。 [1] 由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類(lèi)繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。

運(yùn)放如圖有兩個(gè)輸入端a(反相輸入端)，b(同相輸入端)和一個(gè)輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓U-加在a端和公共端(公共端是電壓為零的點(diǎn)，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn)。)之間，且其實(shí)際方向從a 端高于公共端時(shí)，輸出電壓U實(shí)際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實(shí)際方向相對(duì)公共端恰好相同。為了區(qū)別起見(jiàn)，a端和b 端分別用“-”和“+”號(hào)標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。

一般可將運(yùn)放簡(jiǎn)單地視為：具有一個(gè)信號(hào)輸出端口(Out)和同相、反相兩個(gè)高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運(yùn)放制作同相、反相及差分放大器。

運(yùn)放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對(duì)于雙電源供電運(yùn)放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動(dòng)輸入電壓為零時(shí)輸出也可置零。采用單電源供電的運(yùn)放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。

運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。這種運(yùn)放稱為軌到軌(rail-to-rail)輸入運(yùn)算放大器。

運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)與兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0(E1-E2)，其中，A0 是運(yùn)放的低頻開(kāi)環(huán)增益(如 100dB，即 100000 倍)，E1 是同相端的輸入信號(hào)電壓，E2 是反相端的輸入信號(hào)電壓。

運(yùn)算放大器是用途廣泛的器件，接入適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器、振蕩器及電壓比較器。

反相放大器

電子電路中的運(yùn)算放大器，有同相輸入端和反相輸入端，輸入端的極性和輸出端是同一極性的就是同相放大器，而輸入端的極性和輸出端相反極性的則稱為反相放大器。反相放大器電路具有放大輸入信號(hào)并反相輸出的功能。

反相放大器電路具有放大輸入信號(hào)并反相輸出的功能。“反相”的意思是正、負(fù)號(hào)顛倒。這個(gè)放大 器應(yīng)用了負(fù)反饋技術(shù)。所謂負(fù)反饋，即將輸出信號(hào)的一部分返回到輸入，在圖所示電路中，象把輸出Vout經(jīng)由R2 連接(返回)到反相輸入端(-)的連接方法就是負(fù)反饋。

運(yùn)算放大器具有以下特點(diǎn)，當(dāng)輸出端不加電源電壓時(shí)，正相輸入端(+)和反相輸入端(-)被認(rèn)為施加了相同的電壓，也就是說(shuō)可以認(rèn)為是虛短路。所以，當(dāng)正相輸入端 (+)為0V時(shí)，A點(diǎn)的電壓也為0V。

運(yùn)算放大器的輸入阻抗極高，反相輸入端(-)中基本上沒(méi)有電流。因此，當(dāng)Ie經(jīng)由A點(diǎn)流向R2時(shí)，I1和I2電流基本相等。由以上條件，對(duì)R2使用歐姆定律，則得出Vout=- I1xR2。I1為負(fù)是因?yàn)镮2從電壓為0V的點(diǎn)A 流出。換一個(gè)角度來(lái)看，當(dāng)反相輸入端(-)的輸入電壓上升時(shí)，輸出會(huì)被反相，向負(fù)方向大幅度放大。由于這 個(gè)負(fù)方向的輸出電壓經(jīng)由R2與反相輸入端相連，因此，會(huì)使反相輸入端(-)的電壓上升受阻。反相輸入端和正 相輸入端電壓都變?yōu)?V，輸出電壓穩(wěn)定。

通過(guò)這個(gè)放大器電路中輸入與輸出的關(guān)系來(lái)計(jì)算一下增益。增益是Vout和Vin的比，即 Vout/Vin= (-I1xR2) / (I1xR1) =- R2/R1。所得增益為-，表示波形反相。

應(yīng)用：

積分器

將原來(lái)反相放大器R2電阻，換成一顆電容器C2 ， 此時(shí)輸入信號(hào)Vi與輸出信號(hào)Vo之關(guān)系，形成一積分關(guān)系。

微分器

將原來(lái)反相放大器R1電阻，換成一顆電電容器C ，此時(shí)輸入信號(hào)Vi與輸出信號(hào)Vo之關(guān)系，即變形成一微分關(guān)系。

加法器

若將反相放大器稍微變化一下，此時(shí)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)Vo之關(guān)系，若R1 = R2 = R3 =。..= Rn = Rf，就可簡(jiǎn)化為Vo =-(V1+V2+V3+.。.+Vn)，形成一加法關(guān)系。

電子電路中的運(yùn)算放大器，有同相輸入端和反相輸入端，輸入端的極性和輸出端是同一極性的就是同相放大?

器，而輸入端的極性和輸出端相反極性的則稱為反相放大器。

運(yùn)放的同相和反相區(qū)別：

1、同相放大器的輸入阻抗和運(yùn)放的輸入阻抗相等，接近無(wú)窮大，同相放大器的輸入電阻取值大小不影響輸入阻抗;而反相放大器的輸入阻抗等于信號(hào)到輸入端的串聯(lián)電阻的阻值。因此當(dāng)要求輸入阻抗很高的時(shí)候就應(yīng)選擇同相放大器!

2、同相放大器的輸入信號(hào)范圍受運(yùn)放的共模輸入電壓范圍的限制，反相放大器則無(wú)此限制。因此如果要求輸入阻抗不高且相位無(wú)要求時(shí)，首選反相放大，因?yàn)榉聪喾糯笾淮嬖诓钅Ｐ盘?hào)，抗干擾能力強(qiáng)，可以得到更大的輸入信號(hào)范圍。

3、在設(shè)計(jì)中要求放大倍數(shù)相同的情況下盡量選擇數(shù)值小的電阻配合，這樣可以減小輸入偏置電流的影響和分布電容的影響。如果很計(jì)較功耗，則要在電阻數(shù)值方面折中。