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運算放大器

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運算放大器（常簡稱為“運放”）是具有很高放大倍數的電路單元。在實際電路中，通常結合回報網絡共同組成某種功能子產品。由于早期應用于模拟計算機中，用以實作數學運算，故得名“運算放大器”，此名稱一直延續至今。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實作，也可以實作在半導體晶片當中。随着半導體技術的發展，如今絕大部分的運放是以單片的形式存在。現今運放的種類繁多，廣泛應用于幾乎所有的行業當中。

曆史

編輯本段 直流放大電路在工業技術領域中，特别是在一些測量儀器和自動化控制系統中應用非常廣泛。如在一些自動控制系統中，首先要把被控制的非電量（如溫度、轉速、壓力、流量、照度等）用傳感器轉換為電信号，再與給定量比較，得到一個微弱的偏差信号。因為這個微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推動顯示或者執行機構，是以需要把這個偏差信号放大到需要的程度，再去推動執行機構或送到儀表中去顯示，進而達到自動控制和測量的目的。因為被放大的信号多數變化比較緩慢的直流信号，分析交流信号放大的放大器由于存在電容器這樣的元件，不能有效地耦合這樣的信号，是以也就不能實作對這樣信号的放大。能夠有效地放大緩慢變化的直流信号的最常用的器件是運算放大器。運算放大器最早被發明作為模拟信号的運算（實作加減乘除比例微分積分等）單元，是模拟電子計算機的基本組成部件，由真空電子管組成。目前所用的運算放大器，是把多個半導體組成的直接耦合的具有高放大倍數的電路，內建在一塊微小的矽片上。

第一塊內建運放電路是美國仙童（fairchild）公司發明的μA741，在60年代後期廣泛流行。直到今天μA741仍然是各大學電子工程系中講解運放原理的典型教材。

原理

編輯本段 運放如上圖有兩個輸入端a,b和一個輸出端o.也稱為倒向輸入端(反相輸入端),非倒向輸入端(同相輸入端)和輸出端.當電壓加U-加在a端和公共端(公共端是電壓的零位,它相當于電路中的參考結點.)之間,且其實際方向從a 端指向公共端時,輸出電壓U實際方向則自公共端指向o端,即兩者的方向正好相反.當輸入電壓U+加在b端和公共端之間,U與U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同.為了差別起見,a端和b 端分别用"-"和"+"号标出,但不要将它們誤認為電壓參考方向的正負極性.電壓的正負極性應另外标出或用箭頭表示.反轉放大器和非反轉放大器如下圖：

一般可将運放簡單地視為：具有一個信号輸出端口（Out）和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，是以可采用運放制作同相、反相及差分放大器。

運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電源供電運放，其輸出可在零電壓兩側變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。采用單電源供電的運放，輸出在電源與地之間的某一範圍變化。

運放的輸入電位通常要求高于負電源某一數值，而低于正電源某一數值。經過特殊設計的運放可以允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負電源也被允許。這種運放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運算放大器。

運算放大器的輸出信号與兩個輸入端的信号電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0（E1-E2），其中，A0 是運放的低頻開環增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的輸入信号電壓，E2 是反相端的輸入信号電壓。

類型

編輯本段 按照內建運算放大器的參數來分,內建運算放大器可分為如下幾類。

1．通用型運算放大器

通用型運算放大器就是以通用為目的而設計的。這類器件的主要特點是價格低廉、産品量大面廣,其性能名額能适合于一般性使用。例μA741（單運放）、LM358（雙運放）、LM324（四運放）及以場效應管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應用最為廣泛的內建運算放大器。

2．高阻型運算放大器

這類內建運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid＞1GΩ~1TΩ,IB為幾皮安到幾十皮安。實作這些名額的主要措施是利用場效應管高輸入阻抗的特點,用場效應管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級,不僅輸入阻抗高,輸入偏置電流低,而且具有高速、寬帶和低噪聲等優點,但輸入失調電壓較大。常見的內建器件有LF355、LF347（四運放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

3．低溫漂型運算放大器

在精密儀器、弱信号檢測等自動控制儀表中,總是希望運算放大器的失調電壓要小且不随溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設計的。目前常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩零型低漂移器件ICL7650等。

4．高速型運算放大器

在快速A/D和D/A轉換器、視訊放大器中,要求內建運算放大器的轉換速率SR一定要高,機關增益帶寬BWG一定要足夠大,像通用型內建運放是不能适合于高速應用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。常見的運放有LM318、μA715等,其SR=50~70V/us,BWG＞20MHz。

5．低功耗型運算放大器

由于電子電路內建化的最大優點是能使複雜電路小型輕便,是以随着便攜式儀器應用範圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相适用。常用的運算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為±2V~±18V,消耗電流為50~250μA。目前有的産品功耗已達μW級,例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節電池供電。

6．高壓大功率型運算放大器

運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,內建運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流內建運算放大器外部不需附加任何電路,即可輸出高電壓和大電流。例如D41內建運放的電源電壓可達±150V,μA791內建運放的輸出電流可達1A。

7.可程式設計控制運算放大器

在儀器儀表得使用過程中都會涉及到量程得問題.為了得到固定電壓得輸出,就必須改變運算放大器得放大倍數.例如:有一運算放大器得放大倍數為10倍,輸入信号為1mv時,輸出電壓為10mv,當輸入電壓為0.1mv時,輸出就隻有1mv,為了得到10mv就必須改變放大倍數為100.程控運放就是為了解決這一問題而産生得.例如PGA103A,通過控制1,2腳的電平來改變放大的倍數.

主要參數

編輯本段 1.共模輸入電阻(RINCM)

該參數表示運算放大器工作線上性區時，輸入共模電壓範圍與該範圍内偏置電流的變化量之比。

2.直流共模抑制(CMRDC)

該參數用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同直流信号的抑制能力。

3.交流共模抑制(CMRAC)

CMRAC用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同交流信号的抑制能力，是差模開環增益除以共模開環增益的函數。

4.增益帶寬積(GBW)

增益帶寬積AOL * ƒ是一個常量，定義在開環增益随頻率變化的特性曲線中以-20dB/十倍頻程滾降的區域。

5.輸入偏置電流(IB)

該參數指運算放大器工作線上性區時流入輸入端的平均電流。

6.輸入偏置電流溫漂(TCIB)

該參數代表輸入偏置電流在溫度變化時産生的變化量。TCIB通常以pA/°C為機關表示。

7.輸入失調電流(IOS)

該參數是指流入兩個輸入端的電流之差。

8.輸入失調電流溫漂(TCIOS)

該參數代表輸入失調電流在溫度變化時産生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為機關表示。

9.差模輸入電阻(RIN)

該參數表示輸入電壓的變化量與相應的輸入電流變化量之比，電壓的變化導緻電流的變化。在一個輸入端測量時，另一輸入端接固定的共模電壓。

10.輸出阻抗(ZO)

該參數是指運算放大器工作線上性區時，輸出端的内部等效小信号阻抗。

11.輸出電壓擺幅(VO)

該參數是指輸出信号不發生箝位的條件下能夠達到的最大電壓擺幅的峰峰值，VO一般定義在特定的負載電阻和電源電壓下。

12.功耗(Pd)

表示器件在給定電源電壓下所消耗的靜态功率，Pd通常定義在空載情況下。

13.電源抑制比(PSRR)

該參數用來衡量在電源電壓變化時運算放大器保持其輸出不變的能力，PSRR通常用電源電壓變化時所導緻的輸入失調電壓的變化量表示。

14.轉換速率/壓擺率(SR)

該參數是指輸出電壓的變化量與發生這個變化所需時間之比的最大值。SR通常以V/µs為機關表示，有時也分别表示成正向變化和負向變化。

15.電源電流(ICC、IDD)

該參數是在指定電源電壓下器件消耗的靜态電流，這些參數通常定義在空載情況下。

16.機關增益帶寬(BW)

該參數指開環增益大于1時運算放大器的最大工作頻率。

17.輸入失調電壓(VOS)

該參數表示使輸出電壓為零時需要在輸入端作用的電壓差。

18.輸入失調電壓溫漂(TCVOS)

該參數指溫度變化引起的輸入失調電壓的變化，通常以µV/°C為機關表示。

19.輸入電容(CIN)

CIN表示運算放大器工作線上性區時任何一個輸入端的等效電容(另一輸入端接地)。

20.輸入電壓範圍(VIN)

該參數指運算放大器正常工作(可獲得預期結果)時，所允許的輸入電壓的範圍，VIN通常定義在指定的電源電壓下。

21.輸入電壓噪聲密度(eN)

對于運算放大器，輸入電壓噪聲可以看作是連接配接到任意一個輸入端的串聯噪聲電壓源，eN通常以 nV / 根号Hz 為機關表示，定義在指定頻率。

22.輸入電流噪聲密度(iN)

對于運算放大器，輸入電流噪聲可以看作是兩個噪聲電流源，連接配接到每個輸入端和公共端，通常以 pA / 根号Hz 為機關表示，定義在指定頻率。

應用

編輯本段 運算放大器是用途廣泛的器件，接入适當的回報網絡，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。