运算放大器原理，集成运算放大器原理

运算放大器原理

运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的运算放大器如图1-1。一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。

通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈（positive feedback），相反地，在很多需要产生震荡讯号的系统中，正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件

开环回路

图1-2开环回路运算放大器

开环回路运算放大器如图1-2。当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时，其输出与输入电压的关系式如下：

V_out = ( V+ -V-) * Aog

其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益（open-loop differential gai由于运算放大器的开环回路增益非常高，因此就算输入端的差动讯号很小，仍然会让输出讯号「饱和」（saturation），导致非线性的失真出现。因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中，少数的例外是用运算放大器做比较器（comparator），比较器的输出通常为逻辑准位元的「0」与「1」。

闭环负反馈

将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入讯号进入放大器的端点，又可分为反相（inverting）放大器与非反相（non-inverting）放大器两种。

反相闭环放大器如图1-3。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端为虚接地（virtual ground），其输出与输入电压的关系式如下：

Vout = -(Rf / Rin) * Vin

图1-3反相闭环放大器

非反相闭环放大器如图1-4。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端电压差几乎为零，其输出与输入电压的关系式如下：

Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin

图1-4非反相闭环放大器

集成运算放大器原理

由于运算放大器的增益极高，所以不能在两输入端之间加上输入信号，而一定要用作反馈放大器。这种运算放大器基本上可分为图 2 － 9 所示的非倒相放大电路和图 2 － 10 所示的倒相放大电路两类。

(a) 非倒相放大电路

首先，我们来讨论非倒相放大电路。设 IN+ 端和 IN －端的电压分别为V+和V- ，并认为运算放大器的增益无限大，则为要获得有限的输出电压，则 V+=V- 。这点则是运算放大器工作中的一大特征。在此前提下，分析电路工作就能变得十分简单。根据此特征，输入与输出的关系为：

(b) 倒相放大电路

下面我们来分析倒相放大电路。V+ = V-，这点是与非倒相放大电路情况相同的，所以V+=0V 。这样，尽管有输入信号，然而IN-端处为 0V 。恰似接地，所以被叫做假想接地。于是，若讨论流经 R5、Rf 的电流 I ，由于运算放大器的输入电流为 0 ，则

据此，可得出输入与输出的关系

可见，非倒相放大器和倒相放大电路，是从对应于输入，其输出是否倒向这一事实出发而得名的。

(c) 差分放大电路

如图 2 －11 所示，可将两个这种放大电路组合成差分放大电路。IN+ 端的电压V+由R51和Rf1分压而得

流经R52和Rf2的电流 I 为

由上述两式可得

即差分放大器能够获得V1和V2之差成正比的输出。

实际的运算放大器

以上所述是均是理想的运算放大器的情况。实际上，运算放大器的增益不可能无限大，有电流向IN-、IN+端子流入（或流出），并且其电流不一定相等。即使在无信号时，V+、V-之间也有一定的电压。

(a) 输入偏置电流的影响

如果运算放大器的输入级由晶体管构成，要使电路能正常工作，应有偏置电流（基极电流）流过。该输入偏置电流流经反馈电阻时，会产生压降，从而造成输出误差。

对于采用场效应管构成输入级的运算放大器，由于输入偏流几乎可以忽略不计，不必产生过去的顾虑。但是，由于采用场效应管输入的运算放大器来讲，如果温度上升 10 摄氏度，则输入偏流将增高两倍，因此，这种运算放大器必须避免在高温情况下使用。