一文详解运算放大器

运算放大器，简称“ 运放 ”，是电力电子中最重要的器件之一，主要作用为：信号放大、信号运算、信号处理、波形的产生和变换。

一、运算放大器的内部结构

集成运算放大器内部结构

集成运算放大器内部一般由四个单元组成，各单元作用如下

输入级：一般采用差分放大电路，用来抑制零点漂移。

中间级：由一级或多级放大电路组成，主要是提供足够高的电压放大倍数。

输出级：电压增益为1，主要为输出提供带载能力。

偏置电路：为各级电路提供静态工作点。

二、运算放大器的电路符号和基本特性

运算放大器电路符号

运算放大器的基本特性：

①理想运放开环放大倍数为无穷大。

②运放输出电压不可能超过运放供电电压(一般十几伏)。

③理想运放输入阻抗无穷大。

④理想运放输出阻抗为零。

虚短与虚断的概念： 一方面，由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在数万倍。 而运放的输出电压是有限的，一般不超过15V。 因此运放的差模输入电压不足1mV，两输入端电位接近相等，相当于 “短路”。 另一方面，由于运放的输入阻抗非常大(MΩ级)，所以流入运放的电流几乎为零，相当于 “断路”。

虚短与虚断主要在涉及运放计算的时候作为已知条件使用。

三、运算放大器的几个参数概念

1.轨至轨(rail to rail): 运放通常为晶体管推挽输出，由于管压降的存在，运放输出电压达不到运放电源电压，经过特殊设计的运放输出电压可以达到电源电压值，称之为轨至轨运放。

2.带宽： 低频信号可以正常放大，高频信号放大时会产生相移和衰减，只有高带宽的运放才能放大高频信号，所以叫高速运放。 (这里的高速即高频)

3.增益带宽积(GBW)： 对于选定的一个运放构成同类放大电路，增益和带宽的乘积近似相等，这意味着运放的放大倍数越大，带宽会越窄。

4.压摆率(SR)： 即运放输出信号的转换速度。单位为V/us，压摆率和带宽属于运放的同一类指标，高带宽压摆率也会高，一般压摆率高的运放工作电流也大。

5.输入阻抗与偏置电流： 输入偏置电流越小越好，否则就难以认为是虚断的，对于高阻信号，运放实际上是不能看成输入阻抗无穷大的。

6.输入失调电压： 一个理想的运放，当输入电压为0时，输出电压也为0，但实际上它的差分输入级很难做到完全对称，为使输出电压为0，在输入端加的补偿电压叫做失调电压，输入失调电压反映了电路的对称程度。

7.共模抑制比(CMRR)： 这个指标用来衡量差动放大电路抑制共模信号的能力，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数与对共模信号的电压放大倍数之比，CMRR值越大，差动放大电路抑制共模信号的能力越强，运放的性能越好。理想运放差分放大电路完全对称，共模抑制比趋于无穷大。

四、运算放大器的分类

通用型运算放大器： 主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。

低温漂型运算放大器： 在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。

高阻型运算放大器： 特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般输入阻抗超过1GΩ~1TΩ,输入电流为几皮安到几十皮安。

高速型运算放大器： 主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。

低功耗型运算放大器： 由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。

高压大功率型运算放大器： 运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。

可编程控制运算放大器： 在仪器仪表的使用过程中都会涉及到量程问题.为了得到固定电压输出,就必须改变运算放大器的放大倍数。

1.运放为什么必须引入负反馈

引入负反馈，主要是使放大电路工作在线性区，使输出电压不超过最大输出电压，如果不引入负反馈，由于运行的线性区范围很小，其电压放大倍数又太大，理想认为无穷大，输出极易饱和，没有稳定性可言，显然这不是我们需要的东西。

虽然负反馈是以降低放大倍数为代价，但本质目的是为了改善放大电路的工作性能，如稳定放大倍数、减少非线性失真、扩展通频带等，并且降低之后的放大倍数足够电路设计使用，所以在实用放大器中几乎都引入负反馈。

值得注意的是："虚断"在任何情况下都适用，而"虚短"的前提是运放工作在线性区。

运放特性曲线

2.同相放大和反相放大怎么区分

看输入信号Vin从运放的哪一端进去的，如果是反相端进去就是反相放大，从同相端进去的就是同相放大，如果两个端口都有信号输入，一般是差分或者加减法运算。

集成运算放大器既可以接成同相放大也可以接成反相放大，那使用同相放大好还是反相放大好呢?

我们先看二者的区别：

①同相放大器

优点：输入高阻抗，对输出阻抗很大的电路较有好处。

缺点：放大电路没有虚地，(除了差模信号外)还有有较大的共模电压，抗干扰能力相对较差，(用同相放大要有较高的共模抑制比)另一个小缺点就是放大倍数只能大于1。

②反相放大器

优点:两个输入电位始终近似为零(同相端接地，反相端虚地)，只有差模信号，抗干扰能力强;

缺点：输入阻抗很小，不适用于前级电路输出阻抗很大的场合。

3.如何快速判断运放的反馈类型

①判断是串联反馈还是并联反馈：

串联是指反馈信号接在非输入端;

并联是指反馈信号接在信号的输入端。

②判断是电压反馈还是电流反馈：

电压是指反馈信号取自直接输出端;

电流是指反馈信号间接的取自输出端。

4.单电源运放与双电源运放的区别

最开始运放都是双电源供电，一个正电源一个负电源且绝对值相同。后来为了应对便携式设备低功耗的需求，不少厂家就推出了单电源供电的运放来适应这种减少电源个数降低电源电压的节能需求，原有的双电源供电功能仍然保留;近年来，又出现了纯粹的单电源供电(不能使用双电源)的运算放大器。

优缺点比较：双电源的总动态范围、输出电压/电流、精度、负载抗干扰性优于单电源运放;

单电源的输入输出电压范围相比供电电源电压来说更大。

应用区别

a)供电电压的区别;

b)单电源供电的同向输入放大器要求输入电压不能为负;

c)单电源供电的反向输入放大器要求输入电压不能为正;

d)单电源供电的运放要放大交流信号必须提供合适的偏置电压。

审核编辑：汤梓红