運算放大器基礎知識：什么是運算放大器？

2021-08-19

運算放大器基礎知識：什么是運算放大器？

運算放大器或運算放大器只是具有多個端子的線性集成電路 (IC)。運算放大器可以被認為是一種電壓放大設備，其設計目的是在其輸出和輸入端子之間與外部反饋組件（例如電阻器和電容器）一起使用。它是一種具有差分輸入和通常單端輸出的高增益電子電壓放大器。運算放大器是當今使用最廣泛的電子設備之一，因為它們用于大量消費、工業和科學設備。

歷史簡介

1947年，哥倫比亞大學的John R. Ragazzini用真空管研制出第一臺運算放大器。

隨著硅基晶體管的發展，IC的概念成為現實。1960 年代初期，飛兆半導體公司的 Robert J. Wildar 制造了運算放大器 μA702。

1968 年，μA741 發布，導致其廣泛生產。

現代運算放大器可用于：

8 引腳金屬罐封裝 (TO)

具有 8/14 引腳的雙列直插式封裝 (DIP)

10/14針扁平封裝的扁平封裝

建造

典型運算放大器的內部原理圖如下所示：

帶（-）號的端子稱為反相輸入端子，帶（+）號的端子稱為同相輸入端子。

V+和V-電源端子分別連接到直流電壓源的正負端子。V+ 和 V- 的公共端連接到參考點或地，否則電源電壓的兩倍可能會損壞運算放大器。

運算放大器的類型

運算放大器有無數的應用，構成了線性和非線性模擬系統的基本構建塊。一些類型的運算放大器包括：

差分放大器，這是一種放大兩個信號之間差異的電路。

儀表放大器，通常由三個運算放大器構成，有助于放大傳感器的輸出（由測量的物理量組成）。

隔離放大器，類似于儀表放大器，但對共模電壓具有耐受性（會破壞普通運算放大器）。

負反饋放大器，通常由一個或多個運算放大器和電阻反饋網絡構成。

功率放大器放大從輸入源（如麥克風或天線）接收到的小信號。

運算放大器操作

理想情況下，運算放大器僅放大兩者之間的電壓差，也稱為差分輸入電壓。運算放大器的輸出電壓 V out由下式給出：

V out = A OL (V + – V – )

其中 A OL是放大器的開環增益。

在線性運算放大器中，輸出信號是放大系數，稱為放大器增益 (A) 乘以輸入信號值。

運算放大器參數

開環增益是沒有正反饋或負反饋的增益。理想情況下，增益應該是無限的，但典型的實際值范圍從大約 20,000 到 200,000 歐姆。

輸入阻抗是輸入電壓與輸入電流的比率。假定為無窮大以防止任何電流從源流向放大器。

理想運算放大器的輸出阻抗假定為零。該阻抗與負載串聯，從而增加了負載可用的輸出。

理想運算放大器的帶寬是無限的，可以放大從直流到最高交流頻率的任何頻率信號。然而，典型帶寬受到增益帶寬積的限制，它等于放大器增益變為單位的頻率。

當反相和同相輸入之間的電壓差為零時，放大器的理想輸出為零?，F實世界的放大器確實表現出很小的輸出失調電壓。

其他一些需要考慮的重要電氣參數是：

輸入失調電壓：它是必須在運算放大器的輸入端子之間施加以使輸出無效的電壓。

輸入偏移電流：它是進入（-）輸入和（+）輸入的電流之間的代數差。

輸入偏置電流：它是進入運算放大器 (-) 輸入和 (+) 輸入端子的電流的平均值。

輸入電阻：它是在任一輸入端子處看到的差分輸入電阻，另一端子接地。

輸入電容：輸入端任一端接地時可測得的等效電容。

壓擺率：定義為由階躍輸入電壓引起的輸出電壓的最大變化率。壓擺率隨著更高的閉環增益和直流電源電壓而提高。它也是溫度的函數，通常隨著溫度的升高而降低。

注意：- 盡管理想的運算放大器不會從電源中汲取電流，并且其響應與溫度無關，但真正的運算放大器不會以這種方式工作。

運算放大器僅對兩個電壓之間的差異做出響應，而與輸入端的各個值無關。外部電阻器或電容器通常以多種方式連接到運算放大器，以形成基本電路，包括反相、同相、電壓跟隨器、求和、差分、積分器和微分器類型的放大器。IC 封裝中的運算放大器很容易獲得，最常見的是 μA-741。

常用運放IC

2 中的 1

IC 741的內部電路

引腳圖

運算放大器應用

運算放大器有無數的應用，構成了線性和非線性模擬系統的基本構建塊。

在線性電路中，輸出信號以線性方式隨輸入信號變化。一些線性應用是：

加法器

減法器

電壓電流轉換器（跨導放大器）

電流電壓轉換器（跨阻放大器）

儀表放大器

功率放大器

另一類具有高度非線性輸入到輸出特性的電路是：

整流器

峰值檢測器

快船

夾鉗

采樣保持電路

對數和反對數放大器

乘法器和除法器

比較器

由于運算放大器和相關電路，它們已成為音頻放大器、波形發生器、穩壓器、有源濾波器、555 定時器、AD 和 DA 轉換器的組成部分。