什么是运放？运算放大器的电压传输特性

运算放大器

照例，先上图啦。

集成运放图，来源于童诗白老先生的《模拟电子技术基础》

小明同学：什么是运放啊？

运放就是将一些三极管电路集成在一个小芯片里面，只留出输入端子和输出端子的电子元器件。这里我们只分析它的等效模型。

图中Up和Un分别是运算放大器的同相输入端和反向输入端，Uo是运算放大器的输出端。

可见，运算放大器是一个双端输入，单端输出的电子元器件。

我们来看下运算放大器的电压传输特性。

不看特性曲线的分析电路，就是耍流氓

我们可以看出，红色区中，运放的输出和Up-Un成正比，可以看成是线性区。

而蓝色区中，运放的输出和Up-Un无关，都是输出最大UoM或最小UoM，可以看成是非线性区。

我们可以用下列函数表达这个特性：

现在，我们只关注线性区（非饱和区）的特性。

我们可以发现一个很重要的特性。

运算放大器线性区中放大的电压是Up-Un的电压，即我们常说的差模信号。

在线性区中，我们可以得到这样一个公式：

其中Aod代表了线性区的斜率，又叫差模开环放大倍数。

而运算放大器中的线性区非常窄，假设|Up-Un|<20uV时，电路工作在线性区，输出电压Uo范围为0~5V，我们可得：

可见Aod一般都非常之大。

电压比较器

好了，让我们再分析下跟运算放大器开环特性极其相似，而闭环特性又大不相同的电压比较器吧。

同样，上张图。

电压比较器

小明同学：你坑我们诶，这不是一样的图么。

我：……确实是一样的图，这两货的电路表示差不多，所以我偷懒，就贴了一样的。

好了，看电压比较器的电压传输特性吧。

电压比较器基本上工作在非线性区

看到这里，我们就发现了，电压比较器的开环差模信号放大倍数比运算放大器的还要大许多。这就是电压比较器与运算放大器的不同之处了。

LM324

LM324是四运放电源，那看一个芯片首先我们就需要去下载它的数据手册了。

先看这个芯片的引脚封装吧

lm324引脚封装

这货有两种引脚形式，一种是20引脚的形式，一种是14引脚的形式，对应的各种封装都有。

关于引脚功能需要我们查询数据手册中的Pin Functions部分，限于篇幅这里不展开，其中NC是No Connect(无连接)的意思

查数据手册的时候，除了引脚功能，我们还需关注下列几个方面的内容。

（1）供电范围。

在数据手册的第一页就找到了这个数据。

这段话告诉了我们什么信息呢，第一是LM324既可以运用在单电源供电的情况（供电电源为3V~32V），也可以运用在双电源供电的情况下，供电电源±1.5~±13V。

（2）输出电压。

在数据手册第五页电气特性一表中可找到

 

好吧，为了能看清，我把它压缩地有点畸形。

可看出最大输出电压，在VCC为5V时，大概为3.5V,在VCC为MAX=32V时，大概为26V。

最小输出电压大概是5~20mV。（此处都是指的正压部分，负压一般是对称）

从这个表中我们也可以得到一个信息，如果你希望你的输出电压波形正常，那么LM324的供电电压至少要比你的输出电压大1.5V。

（3）输出电流。

同样，在数据手册的第五页可找到

一样做了压缩

其中，Source Current 为拉电流，代表运算放大器输出端口向外电路流出的电流。Sink Current为灌电流，代表运算放大器输出端口注入电流的值。由表可看出，LM324输出电流的能力要比流入电流的能力大。

（4）带宽增益积

在电压型反馈运算放大器中，它的带宽与增益乘积为常数，因此我们也需要特别地关注这个参数。

在表的第11页，可以找到这个参数。

Gain bandwidth product is found by multiplying the measured bandwidth of an amplifier by the gain at which that bandwidth was measured. These devices have a high gain bandwidth of 1.2 MHz.

我们可以找到这段话，翻译过来就是带宽增益积是1.2MHZ的意思。

知道了一些典型参数后，我们继续往下翻数据手册，会发现底下有一些完整的电路设计资料或者典型电路设计样例，这些都是我们学习电路设计的“宝典”

在数据手册的第12页，我们找到了这样一个电路图。

为了能看得更清楚点，我又一次把它拉扁了

这个典型例子告诉了我们下面几个信息。（主要是关于PCB布局的）

①电源VCC和负电源-VCC需要一个陶瓷旁路电容。

②让你的输入端电路走线尽量远离电源线。

③将电子元器件尽量地靠近运放芯片引脚，以减少寄生走线带来的影响。

这些都是十分宝贵而又具有优秀电路设计理念的建议，你为什么不采用呢？

LM393

LM393是一款十分常用的比较器芯片。为什么我要选它做例子，是有理由的，下面开始讲啦。

照例先放个封装图吧

这次是8引脚型和20引脚型。

具体参数的查询和LM324的很相似，我也不想写这个
我们来比较下LM324和LM393的内部电路图吧。

先上LM324的内部电路图吧。真的只是看一下啦。不做深入分析。

LM324内部电路图

红色区是输入端，采用的是差分放大电路。

蓝色区是恒流区，为三极管提供静态工作电流。

绿色区是输出端，采用的是推挽输出电路。

再看LM393的内部电路图。这次也是看一下啦。

LM393内部电路图

红色区是输入端，采用的是差分放大电路。

绿色区是输出端，采用的是开集输出。

小明：乍一看两个电路似乎都差不多诶，反正我都看不懂，这种感觉哈哈哈哈。。。

好啦，言归正传，两个电路最大的不同，不就在于他们的输出端么。

LM393采用的是开集电极输出方式。

那什么是开集电极输出。开集电极就是直接把集电极当做输出端，什么也不接的意思。

小课堂：开集输出&开漏输出。开集输出是直接将输出端接在三极管的集电极，集电极什么也不接。开漏输出则是直接将输出端接在mos管的漏极，漏极什么也不接。这样子就会造成当三极管导通时，输出端接地，输出0，当三极管截止时，输出端浮空，状态不定的现象。

那么为了解决这个问题，我们一般需要在开集输出或开漏输出的元器件或芯片的输出端外接上拉电阻接VCC，以保证电路的正常输出。

我们继续翻手册，看看手册里面的典型应用电路是怎么解决这个问题的。

LM393典型应用电路

不要问我为什么这里面的芯片是LM2903,这两个芯片是同一系列的。

编辑：黄飞