运算放大器的外特性工作特性曲线0UdUoE E

运算放大器参数详解技术2010-12-19 22:05:36 阅读80 评论0 字号：大中小订阅运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。

在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。

由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。

运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。

随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。

现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。

历史直流放大电路在工业技术领域中，特别是在一些测量仪器和自动化控制系统中应用非常广泛。

如在一些自动控制系统中，首先要把被控制的非电量（如温度、转速、压力、流量、照度等）用传感器转换为电信号，再与给定量比较，得到一个微弱的偏差信号。

因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构，所以需要把这个偏差信号放大到需要的程度，再去推动执行机构或送到仪表中去显示，从而达到自动控制和测量的目的。

因为被放大的信号多数变化比较缓慢的直流信号，分析交流信号放大的放大器由于存在电容器这样的元件，不能有效地耦合这样的信号，所以也就不能实现对这样信号的放大。

能够有效地放大缓慢变化的直流信号的最常用的器件是运算放大器。

运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算（实现加减乘除比例微分积分等）单元，是模拟电子计算机的基本组成部件，由真空电子管组成。

目前所用的运算放大器，是把多个晶体管组成的直接耦合的具有高放大倍数的电路，集成在一块微小的硅片上。

第一块集成运放电路是美国仙童（fairchild）公司发明的μA741，在60年代后期广泛流行。

直到今天μA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。

原理运放如上图有两个输入端a,b和一个输出端o.也称为倒向输入端(反相输入端),非倒向输入端(同相输入端)和输出端.当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压的零位,它相当于电路中的参考结点.)之间,且其实际方向从a 端指向公共端时,输出电压U实际方向则自公共端指向o端,即两者的方向正好相反.当输入电压U+加在b端和公共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同.为了区别起见,a端和b 端分别用"-"和"+"号标出,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性.电压的正负极性应另外标出或用箭头表示.反转放大器和非反转放大器如下图：一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。

运算放大器基本原理及应用一． 原理(一） 运算放大器1.原理运算放大器是目前应用最广泛的一种器件;当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时;可以灵活地实现各种特定的函数关系..在线性应用方面;可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路..运算放大器一般由4个部分组成;偏置电路;输入级;中间级;输出级..图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示图1是运算放大器的特性曲线;一般用到的只是曲线中的线性部分..如图2所示..U -对应的端子为“-”;当输入U -单独加于该端子时;输出电压与输入电压U -反相;故称它为反相输入端..U +对应的端子为“＋”;当输入U +单独由该端加入时;输出电压与U +同相;故称它为同相输入端..输出：U 0= AU +-U - ； A 称为运算放大器的开环增益开环电压放大倍数.. 在实际运用经常将运放理想化;这是由于一般说来;运放的输入电阻很大;开环增益也很大;输出电阻很小;可以将之视为理想化的;这样就能得到:开环电压增益A ud =∞；输入阻抗r i =∞；输出阻抗r o =0；带宽f BW =∞；失调与漂移均为零等理想化参数..2.理想运放在线性应用时的两个重要特性输出电压U O 与输入电压之间满足关系式：U O ＝A ud U +－U －;由于A ud =∞;而U O 为有限值;因此;U +－U －≈0..即U +≈U －;称为“虚短”..由于r i =∞;故流进运放两个输入端的电流可视为零;即I IB ＝0;称为“虚断”;这说明运放对其前级吸取电流极小..上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则;可简化运放电路的计算.. 3. 运算放大器的应用 1比例电路所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路;比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路.. a 反向比例电路反向比例电路如图3所示;输入信号加入反相输入端:图3反向比例电路电路图对于理想运放;该电路的输出电压与输入电压之间的关系为：为了减小输入级偏置电流引起的运算误差;在同相输入端应接入平衡电阻R ’＝R 1 // R F ..输出电压U 0与输入电压U i 称比例关系;方向相反;改变比例系数;即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值..反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求.. b 同向比例电路同向比例电路如图4所示;跟反向比例电路本质上差不多;除了同向接地的一段是反向输入端:图4 同相比例电路电路图它的输出电压与输入电压之间的关系为：； R’＝R 1 // R F只要改变比例系数就能改变输出电压;且U i 与U 0的方向相同;同向比例电路对集成运放的共模抑制比要求高.. c 差动比例电路差动比例电路如图5所示;输入信号分别加在反相输入端和同相输入端:图5 差动比例电路电路图其输入和输出的关系为：i1f O U R R U -=i1fO )U R R (1U +=可以看出它实际完成的是：对输入两信号的差运算.. 2和/差电路 a 反相求和电路其电路图如图6所示输入端的个数可根据需要进行调整:图6 反相求和电路图其中电阻R'满足：它的输出电压与输入电压的关系为：它的特点与反相比例电路相同;可以十分方便的通过改变某一电路的输入电阻;来改变电路的比例关系;而不影响其它支路的比例关系.. b 同相求和电路其电路如图7所示输入端的个数可根据需要进行调整:图7 同向求和电路图它的输出电压与输入电压的关系为：它的调节不如反相求和电路;而且它的共模输入信号大;因此它的应用不很广泛.. c 和差电路其电路图如图8所示;此电路的功能是对U i1、U i2进行反相求和;对U i3、U i4进行同相求和;然后进行的叠加即得和差结果..图8 和差电路图它的输入输出电压的关系是：由于该电路用一只集成运放;它的电阻计算和电路调整均不方便;因此我们常用二级集成运放组成和差电路..它的电路图如图9所示:图9 二级集成和差电路图它的输入输出电压的关系是：⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+=22114433f 0R U R U R U R U R U i i i i它的后级对前级没有影响采用理想的集成运放;它的计算十分方便.. 3 积分电路和微分电路 a 积分电路其电路图如图10所示：它是利用电容的充放电来实现积分运算;可实现积分运算及产生三角波形等..图10 积分电路图它的输入、输出电压的关系为：其中: 表示电容两端的初始电压值.如果电路输入的电压波形是方形;则产生三角波形输出.. b 微分电路微分是积分的逆运算;它的输出电压与输入电压呈微分关系..电路如图11所示:图11 微分电路图R u -=0它的输入、输出电压的关系为： 4 对数和指数运算电路 a 对数运算电路对数运算电路就是是输出电压与输入电压呈对数函数..我们把反相比例电路中Rf 用二极管或三级管代替级组成了对数运算电路..电路图如图12所示：图12 对数运算电路它的输入、输出电压的关系为也可以用三级管代替二极管: b 指数运算电路指数运算电路是对数运算的逆运算;将指数运算电路的二极管三级管与电阻R 对换即可..电路图如13所示:图13 指数运算电路它的输入、输出电压的关系为： 利用对数和指数运算以及比例;和差运算电路;可组成乘法或除法运算电路和其它非线性运算电路..二无源滤波电路0101=+-=⎰t c t t i u dt u RC u r iu u S I u Re 0-=滤波电路的作用：允许规定范围内的信号通过；而使规定范围之外的信号不能通过..滤波电路的分类：低通滤波器：允许低频率的信号通过;将高频信号衰减； 高通滤波器：允许高频信号通过;将低频信号衰减；带通滤波器：允许一定频带范围内的信号通过;将此频带外的信号衰减； 带阻滤波器：阻止某一频带范围内的信号通过;允许此频带以外的信号衰减；仅由无源元件电阻、电容、电感组成的滤波电路;为无源滤波电路..它有很大的缺陷如：电路小;能力差等..为此我们要学习有源滤波电路.. 三有源滤波电路有源滤波器是指利用放大器、电阻和电容组成的滤波电路;可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面..但因受运算放大器频带限制;这种滤波器主要用于低频范围..1一阶有源低通滤波器其电路如图14-a 所示;它是由一级RC 低通电路的输出再接上一个同相输入比例放大器构成; 幅频特性如图14-b 所示; 通带以外以dB 20-/十倍频衰减:图14-a 一阶有源低通滤波电路 图14-b 一阶有源低通幅频特性该电路的传递函数为: 式中RC 10=ω称为截止角频率;传递函数的模为2)(1)(o vo v A j A ωωω+=幅角为00arctg ωωϕ-=)(.. 2二阶有源滤波电路为了使输出电压以更快的速率下降;以改善滤波效果;再加一节RC 低通滤波环节;称为二阶有源滤波电路..它比一阶低通滤波器的滤波效果更好..二阶有源滤波器的典型结构如图15所示：图15 二阶有源滤波器典型结构 图中;Y 1～Y 5为导纳;考虑到U P ＝U N ;可列出相应的节点方程式为： 在节点A 有： 在节点B 有： 联立以上二等式得：考虑到： 则：AS 即是二阶压控电压源滤波器传递函数的一般表达式..只要适当选择Y i i ＝1～5;就可以构成低通、高通、带通等有源滤波器..)(ba aO N P R R R U U U +=≈。

运算放大器工作原理、分类及特点介绍1．模拟运放的分类及特点模拟运算放大器从诞生至今，已有40多年的历史了。

最早的工艺是采用硅NPN工艺，后来改进为硅NPN-PNP工艺（后面称为标准硅工艺）。

在结型场效应管技术成熟后，又进一步的加入了结型场效应管工艺。

当MOS管技术成熟后，特别是CMOS技术成熟后，模拟运算放大器有了质的飞跃，一方面解决了低功耗的问题，另一方面通过混合模拟与数字电路技术，解决了直流小信号直接处理的难题。

经过多年的发展，模拟运算放大器技术已经很成熟，性能曰臻完善，品种极多。

这使得初学者选用时不知如何是好。

为了便于初学者选用，本文对集成模拟运算放大器采用工艺分类法和功能/性能分类分类法等两种分类方法，便于读者理解，可能与通常的分类方法有所不同。

1．1．根据制造工艺分类根据制造工艺，目前在使用中的集成模拟运算放大器可以分为标准硅工艺运算放大器、在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放大器、在标准硅工艺中加入了MOS工艺的运算放大器。

按照工艺分类，是为了便于初学者了解加工工艺对集成模拟运算放大器性能的影响，快速掌握运放的特点。

标准硅工艺的集成模拟运算放大器的特点是开环输入阻抗低，输入噪声低、增益稍低、成本低，精度不太高，功耗较高。

这是由于标准硅工艺的集成模拟运算放大器内部全部采用NPN-PNP管，它们是电流型器件，输入阻抗低，输入噪声低、增益低、功耗高的特点，即使输入级采用多种技术改进，在兼顾起啊挺能的前提下仍然无法摆脱输入阻抗低的问题，典型开环输入阻抗在1M欧姆数量级。

为了顾及频率特性，中间增益级不能过多，使得总增益偏小，一般在80~110dB之间。

标准硅工艺可以结合激光修正技术，使集成模拟运算放大器的精度大大提高，温度漂移指标目前可以达到0.15ppm。

通过变更标准硅工艺，可以设计出通用运放和高速运放。

典型代表是LM324。

在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放大器主要是将标准硅工艺的集成模拟运算放大器的输入级改进为结型场效应管，大大提高运放的开环输入阻抗，顺带提高通用运放的转换速度，其它与标准硅工艺的集成模拟运算放大器类似。

运算放大器原理时间：2008-12-21 11:29:37 来源：资料室作者：编号: 2091 更新日期20120308 003050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)。

图1-1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」。

集成运算放大器的外特性及参数1. 理想集成运算放大器所谓理想运放就是将各项技术指标理想化的集成运放，即认为： 开环差模电压放大倍数 Od A ＝∞； 差模输入电阻 id R ＝∞； 输出电阻 O R ＝０； 共模抑制比 CMR K ＝∞； 输入偏置电流 id I ＝０； 上限频率 H f ＝∞ 。

2. 集成运算放大器的电压传输特性我们称集成运放输出电压O U 与其输入电压id U 之间的关系曲线为电压传输特性，集成运放的电压传输特性如图2-15（a ）所示。

(a) (b)图2-15 集成运放的电压传输特性(a) 集成运放的电压传输特性 (b) 理想集成运放的电压传输特性在id U 很小的范围内为线性区，id od O U A U =，输出电压的最大值为OM U ±，当odOM A ||U U ＞||id 时，输出信号O U 不再跟随id U 线性变化，进入饱和工作区（非线性区）。

由于集成运放的开环差模电压放大倍数Od A 非常高，一般为10４～10７，即80～140dB ，所以它的线性区非常窄,图2-15（b ）为理性运算放大器的电压传输特性。

如果输出电压最大值V U O M 13±=±。

Od A ＝５×10５，那么只有当输入信号｜id U ｜＜26μV 时，电路才会工作在线性区。

否则输出级就将工作在正向饱和或负向饱和状态，输出电压O U 不是OM U +就是OM U -。

其饱和值OM U ±接近正、负电源电压值。

3. 集成运算放大器的参数集成运算放大器的性能可以用各种参数来表示，了解这些参数有助于正确选择和使用各种不同类型的集成运放。

常用的典型集成运算放大器的参数详见表2－1。

表2－1典型集成运算放大器的参数表。

1.运算放大器开发尽管“运算放大器”一词现在已经完全融入了当今的电子术语中，但人们可能没有意识到它可以追溯到1947年发表的一篇论文。

这描述了在当时的模拟计算机中使用这些放大器进行的工作。

运算放大器电路符号然而，直到1960 年代，随着集成电路技术的广泛引入，这些放大器的概念才得以完全实现。

1963年，推出了第一款单片集成电路运算放大器。

这是仙童半导体的μA702，由他们的工程师Bob Widlar设计。

1965年晚些时候，μA702的改进版推出。

同样由仙童生产的是μA709，它是第一个广泛使用的运算放大器。

它运行良好，克服了¶micro 的一些问题;A702，尽管有必要对放大器进行外部补偿以防止其振荡。

1968年，非常著名的μA741首次推出。

该运算放大器通过在芯片内的芯片中集成一个小的30pF电容来解决不稳定问题。

这意味着不需要外部补偿组件。

将补偿添加到实际芯片中，使741能够得到特别广泛的使用，事实上，直到今天，它仍然由一些公司制造。

此外，引脚配置也已延续到当今许多运算放大器芯片中。

从那时起，许多运算放大器芯片已经推出，在输入阻抗、低失调、低噪声等方面提供改进的性能，并已嵌入到模拟电子电路设计中。

现在，运算放大器已成为整个电子行业使用的基本构件。

尽管它们已经存在了一段时间，但它们的使用似乎不太可能下降。

2.什么是运算放大器？基础知识运算放大器非常接近于具有无限增益、无限输入阻抗和零输出阻抗的完美放大器。

实际上，运算放大器并不能达到完美，但增益通常在100，000或更高，输入阻抗水平为Megohms和更多，输出阻抗水平非常低，它们足够接近，在大多数情况下可以忽略缺陷。

运算放大器有两个输入。

一个称为反相输入，在电路原理图上标有“-”号。

另一个是同相输入，用“+”号标记。

运算放大器基本上是一个差分放大器，因为输出与两个输入之间的电压差成正比。

运算放大器等效电路两个输入的名称来自它们放大信号的方式：同相输入：运算放大器同相输入在电路图上用“+”号标记。

运算放大器基本原理及应用一． 原理(一） 运算放大器 1.原理运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。

在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。

运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级。

图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示图1是运算放大器的特性曲线，一般用到的只是曲线中的线性部分。

如图2所示。

U -对应的端子为“-”，当输入U -单独加于该端子时，输出电压与输入电压U -反相，故称它为反相输入端。

U +对应的端子为“＋”，当输入U +单独由该端加入时，输出电压与U +同相，故称它为同相输入端。

输出：U 0= A(U +-U -) ； A 称为运算放大器的开环增益（开环电压放大倍数）。

在实际运用经常将运放理想化，这是由于一般说来，运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得到:开环电压增益A ud =∞；输入阻抗r i =∞；输出阻抗r o =0；带宽f BW =∞；失调与漂移均为零等理想化参数。

2.理想运放在线性应用时的两个重要特性输出电压U O 与输入电压之间满足关系式：U O ＝A ud （U +－U －）,由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。

即U +≈U －，称为“虚短”。

由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。

上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

3. 运算放大器的应用 (1)比例电路所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路，比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。

(a) 反向比例电路反向比例电路如图3所示，输入信号加入反相输入端:图3反向比例电路电路图对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为：为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R ’＝R 1 // R F 。

1.1.1 电路和电路模型1.电路的组成什么是电路？电路是为了某种需要由若干电工设备或元件按一定方式组成的总体，是电流的通路。

电路一般由电源、负载、中间环节组成。

2.电路的作用（1）实现电能的输送和变换（2）实现信号的传递和处理3.电路模型一种电路元件往往兼有两种以上的电磁特性，为了便于对实际电路进行数学描述和分析，我们常需要将实际元件理想化或模型化，即在一定条件下突出其主要的电磁性质，忽略其次要的因素，把它近似的看作理想电路元件。

1.1.2 直流电与交流电1.直流电一般来说我们把方向不随时间变的电压（电流）都称为直流电压（电流）。

2.交流电交流电是指大小和方向都随时间变化的电压或电流。

1.1.3 模拟信号与数字信号1.模拟信号模拟信号是随时间连续变化的电压或电流信号。

处理模拟信号的电路就叫作模拟电路。

2.数字信号数字信号是指随时间断续变化的电压或电流信号。

处理数字信号的电路就叫作数字电路。

1.1.4 电路的基本物理量及其参考方向1.电流及其参考方向（1）电流正电荷移动的方向（或负电荷移动的反方向）规定为电流的实际方向。

电流的大小（强弱）用电流强度来衡量，它定义为单位时间内通过导体某横截面电荷量，用字母i表示。

i = dq/dt式中dq为在极短时间dt内通过导体某横截面的电荷量。

（2）电流的参考方向在分析和计算较为复杂的电路时，往往事先难于判断某支路中电流的实际方向，我们可能任意选定某一方向为电流的参考方向（也称正方向）。

2.电压、电动势及其参考方向（1）电压和电动势电压表明了电场力对电荷做功的能力，用公式表示为u = dW/dq（2）电压和电动势的参考方向对于电压和电动势的实际方向，我们首先作如下的规定：电压的实际方向规定为由高电位端指向低电位端，即为电位降低的方向；而电动势的实际方向是指在电源内部低电位端指向高电位端，即为电位升高的方向。

在电路图中我们常需要对某个元件作电压U和电流I的参考方向的设定，我们习惯于将电压U和电流I的参考方向取为一致，这称为关联参考方向，否则就称为非关联参考方向。

运算放大器电路原理和特性集成运算放大器简称运算放大器，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。

与分离元件构成的电路相比，运算放大器具有稳定性好、电路计算容易、成本低等优点，因此得到广泛应用。

其可完成信号放大、信号运算、信号处理、波形变换等功能。

按性能可分为通用型、高阻型、高速型、低温漂型、低功耗、高压大功率型等多种产品。

1、最基本的运算放大器电路典型的运算放大器是反相放大器，如图1所示。

输入信号Vi是由“-”号端加入的，其输出电压V0和输入电压反相，电压增益为：G=V0÷Vi=R2÷R1，故输出电压为：V0=-(R2÷R1)×Vi同相放大器，如图2所示。

输入信号Vi是由“-”号端加入的，其输出电压V0和输入电压同相，电压增益为：G=V0÷Vi=1+(R2÷R1)，故其输出电压为:V0=[1-(R2÷R1)]×Vi。

所谓“同相”和“反相”是指输入信号的极性相对于由它引起的输出信号的极性而言的。

图1 反相放大器电路原理图图2 同相放大器电路原理图2、运算放大器的特性充分认识和理解运算放大器的特性，昌晖仪表认为对学习和应用运算放大器以及仪表维修工作将是很有帮助的。

现简述如下：①运算放大器两个输入端之间的电压总为零，这是运算放大器最重要的特性。

由于两个输入端之间的“虚短路”以及“输入阻抗非常大”，意味着运算放大器不需要输入电流，也可认为运算放大器的输入电流等于零。

②运算放大器的同相端电位等于反相端电位，即运算放大器工作正常时，两输入端有相同的直流电位。

前提是输出电压在直流电源的正电压和负电压之间，且输出电流小于运算放大器额定输出电流时。

③运算放大器的电压增益等于无限大，即可用很小的输入电压获得非常大的输出电压。

运算放大器通电后，只需在输入端两端加上毫伏级的电位，就可以很容易地使输出进入正的或负的饱和状态。

④运算放大器的输出阻抗Z=O，即在电路设计和电源所允许的范围内，可以从运算放大器输出端拉出电流，且在输出端不会出现明显的电压降。