一文讲透运算放大器基础

作为一名基带硬件工程师，长期和数字信号打交道，大学的那点信号调理知识是不是早就还给老师了？在一些复杂系统的设计中，我们总归会碰到一些信号放大、滤波、采样等问题，如果肚子里面没点相关的墨水那肯定是不行的。

后续，我会陆续给大家分享运算放大器相关的知识，希望给大家的设计带来一些帮助，也给初学放大器的同学提供一定的指导。

文章部分参考杨建国老师的《你好，放大器》和《TI-信号链应用》，有兴趣的同学可以直接去拜读，讲得非常透彻。

01 定义

运放全称是运算放大器，它是一个差分输入、多级联、直接耦合、高增益的单芯片集成电路，搭配一些阻容器件能实现不同功能的运算电路，因而得名。运放有两个输入端、一个或两个输出端、正负电源供电端。

02 理想运放的特性

在做具体电路分析前，我们需要了解一下理想运放的基本特性：

1）开环增益无穷大，随便翻看一下运放的datasheet，开环增益基本都在100dB以上了；

2）输入阻抗无穷大，即没有电流流进运放的输入端；

3）输出阻抗为0，实际运放一般会有一个几十~几百欧姆的开环输出阻抗。

在了解运放上述的特性后，我们就要引出运放的“虚短”和“虚断”概念了：

1）虚断：因为运放的输入阻抗很大，我们可以认为没有电流流过，就像是开路一般，因此称为“虚断”。

2）虚短：在负反馈电路下，为了保证输出稳定，Uo=（U+ - U-）*Auo，我们可以认为U+和U-无限接近，就像短路一样，因此称为“虚短”。

虚断和虚短是分析所有运放电路最基本、最核心的理论假设，大家一定要掌握。

03 负反馈

学过控制理论的同学都知道，一个开环系统是没法稳定工作的。就以运放为例，运放的开环增益基本都在100dB以上，输入端稍微有点风吹草动，输出就爆了。因此运算放大器电路都会引入负反馈才能正常工作。如下图所示运放电路，我们利用虚断和虚短理论，可以很方便的计算输入和输出的关系。

根据虚短，Us=Ux；根据虚断，Ux=Uo/(Rf+R2)*R2；因此，推导得到 Uo=Us*(1+Rf/R2)，是不是很简单？

04 特殊功能放大器

  理论上可以使用标准运放实现任何运算、放大的功能，但是受限一些电路的复杂度、外围器件的精度等原因，自己搭建的特殊功能运放电路性能并不出众，因此器件厂家就会将这些常用的功能电路进一步集成，这就产生了功能放大器。 1）仪表放大器 其特点是极高的输入阻抗和极高的共模抑制比，因此特别适合作为传感器等高精度、小信号调理电路的前级放大。

2）差动放大器

和标准运放的区别，就是将外围电阻集成到芯片中，激光校准电阻保证了电路增益精度的同时，又使电路具有较高的共模抑制比，很适合作为ADC的前级驱动电路。

3）压控增益放大器

可通过外部电压Vg来连续控制放大器的增益，一般简称为VGA或VCA，有V/V线性和dB线性两种，也有正控制和负控制两种。一般在自动增益控制（AGC）系统中被普遍使用。

4）程控增益放大器

顾名思义，可以通过程序来控制放大器的增益，一般简称为PGA。主要用于被测信号幅度不定且变化较大的场景，需要根据ADC的采样值去动态调整系统的放大倍数，使ADC的采样值在最佳范围之内。

特殊功能放大器还有很多，大家可以去TI、ADI等模拟IC的官网查看，根据自己的设计需求选用。如下截取TI官网放大器的分类。

以上就是本期分享的所有内容啦，放大器很难，但也很有趣，小编在大学期间和放大器打交道比较多，工作之后就很少碰到放大器相关应用了，但一直保留着对放大器的热爱，也希望各位同学能在这里有所学习。欢迎大家持续关注

编辑：黄飞