运算放大器基础知识：什么是运算放大器

    运算放大器是模拟设计最有用的电路模块之一。它们易于使用，可以提供一些近乎完美的模拟电路。

集成电路，集成电路对电子领域产生了巨大影响 - 模拟和数字电路都改变了电子产品的面貌。

在模拟电子领域，没有一个比运算放大器或运算放大器更有意义。运算放大器可以通过添加少量其他组件来制作非常高性能的放大器。

运算放大器还可以构成许多其他电路的基础，从滤波器到定时器，振荡器到比较器和非稳态器。因此，运算放大器是模拟工程师和业余爱好者可用的最通用的构建模块之一。

运算放大器基础相对简单，许多电路的电路设计都很容易。

运算放大器开发

虽然术语运算放大器现在已经完全融入当今的电子术语，但可能无法实现它可以追溯到1947年发表的论文。这描述了当时使用这些放大器在模拟计算机中进行的工作。

然而，直到20世纪60年代，随着集成电路技术的广泛引入，这些放大器的概念才能完全实现。随着20世纪70年代集成电路技术的进步，运算放大器的使用进一步增加，其余的正如他们所说的那样是历史！

现在，运算放大器已成为整个电子行业使用的基本构件。虽然它们已经存在了一段时间，但似乎它们的使用率几乎没有下降。

什么是运算放大器？基础

运算放大器非常接近具有无限增益的理想放大器。实际上，运算放大器并没有完全达到完美，但是通常在10万或更多的区域内获得增益，它们足够接近。

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“ - ”符号。另一个是非反相输入，标有“+”符号。

运算放大器电路符号

这两个输入的名称来自它们放大信号的方式：

·同相输入：   运算放大器非反相输入在电路图上用“+”符号标记。发现施加到非反相输入的正电压将在输出处产生正摆动。

·反相输入：   运算放大器反相输入在电路图上标有“ - ”符号。施加到反相输入的正电压将在输出端产生负摆幅。

如果将相同的电压一起施加到两个输入，那么输出端应该没有变化。实际上，输出与反相和非反相输入之间的差异成比例。正是由于这个原因，这些放大器通常被称为差分放大器。

像任何电子电路一样，那些使用运算放大器的电路需要有电源。通常，运算放大器使用双电源供电，即正电源和负电源。此外，电源线通常不会显示，因为它们会给电路图增加混乱。

在大多数情况下，运算放大器的操作只需要五个连接 - 反相，非反相，输出和两个电源轨。偶尔可以使用另外三个。这些通常用于“偏移空”功能。这用于减少可能存在的任何DC偏移，对于大多数应用，这些可以被忽略并保持断开状态。

运算放大器特性

运算放大器，运算放大器具有许多基本功能，其中一些具有优势，另一些则限制了它们的性能：

运算放大器特性

·非常高的增益：   运算放大器的关键属性之一是它们的增益非常高。典型数字从大约10 000上升 - 数字为10万甚至更多。虽然具有该阶次增益水平的开环放大器几乎没有用，但运算放大器能够利用负反馈来利用非常高的增益水平。以这种方式，增益水平是非常可控的，并且失真水平可以保持非常低。

·高输入阻抗：   高输入阻抗是运算放大器的另一个关键方面。从理论上讲，它们的输入电阻应该是无限的，而今天使用的运算放大器非常接近这一点，阻抗从0.25MΩ以上到任何地方。一些使用MOSFET输入级的阻抗为几百MΩ。

·低输出阻抗：   运算放大器输出阻抗也很重要。可以预料，这应该是低的。在理想放大器中，这应该为零，但实际上许多放大器的输出阻抗小于100欧姆，而且许多放大器的输出阻抗远低于此值。也就是说，许多基于IC的运算放大器的驱动能力自然受到限制。

·共模抑制：   运算放大器的另一个重要特性是共模抑制。这指的是将相同信号应用于两个输入的情况。在理想的放大器中，在这些情况下输出端不应该看到输出，但是放大器永远不会是完美的。实际共模抑制比是当信号施加到两个输入时的输出电平与仅应用于一个输入时的输出之间的比率

·有限的带宽：   运算放大器的带宽可以变化很大。理想的放大器将具有无限的带宽，但是可以想象这将是不可能创建的，并且在实践中也非常难以使用和驯服。实际上，运算放大器的带宽有限。用于音频应用的许多芯片可能仅在相对较小的带宽上展现其全部增益，此后增益下降。尽管如此，大多数电路都会降低增益，并在较大的带宽上保持较低的增益水平。

基本运算放大器电路

虽然运算放大器被广泛用作放大器，但它们也可以作为许多其他电路的基础。

当运放电路在放大器周围放置反馈时，改变这会改变整个电路的特性。改变他的反馈不仅可以改变增益水平，而且可以改变电路的功能 - 只需改变反馈电平，就可以制作微分器，积分器，滤波器，振荡器，非稳态，多谐振荡器和更多电路。组态。

围绕运算放大器有许多不同的电路。这些通常易于设计和构造。

运算放大器增益

当使用开路或闭路时，运算放大器具有非常不同的增益水平。使用负反馈可提供非常可控的增益和特性。

当在没有反馈的情况下使用时，即开环，运算放大器具有非常高的增益水平。

通过使用反馈负反馈，可以精确地控制放大器的增益和其他特性。

通过使用负反馈，开环运算放大器具有高水平变化的非常高的增益可用于提供非常可重复的增益水平，而不依赖于基本的开环放大器增益。

运算放大器增益基础

运算放大器通常与放大器元件本身周围的反馈一起使用。这可以根据需要定制性能。有两种情况可以考虑增益：

·开环增益：   当没有反馈应用于运算放大器时，测量这种增益形式。换句话说，它以开环格式运行。此配置中运算放大器的增益数值通常非常高，通常在10 000到100 000之间。这是运算放大器本身的增益。

数字通常在运算放大器数据表中以伏特/毫伏V / mV表示。引用这些术语中的增益可以使增益以更方便的格式编写。10 V / mV对应于10 000的电压增益。它可以节省写入多个零。

·闭环增益：   当反馈环路运行时，即闭环，测量这种增益形式。通过应用负反馈，电路的整体增益大大降低，并且可以精确地定制到所需的电平或产生所需的输出格式，如滤波器，积分器等。增益通过环路测量关闭并且如果开环和闭环增益之间存在足够的差异，则电路将根据其周围的反馈进行操作。尽管负反馈通常用于模拟电路，但是存在使用正反馈的情况。最常见的应用是比较器，其中两个级别之一需要输出。施密特触发器是将滞后引入系统的一个示例

广义运算放大器增益

负反馈用于控制整个运算放大器电路的增益。有许多方法可以应用反馈 - 它可以与频率无关，或者它可能与频率有关，例如产生滤波器。

然而，可以产生用于应用负反馈的一般概念。由此可以开发出更具体的场景。

通用运算放大器负反馈配置

可以计算电路中运算放大器增益的通用公式：

Vsum=Vin−B Vout

然后可以根据输入电压，增益和反馈的知识计算输出电压：

Vout=A Vsum=A Vin−A B Vout

现在可以使用它来生成通用闭环运算放大器增益方程。

Vout/Vin=G=A1 + AB

使用这个通用方程可以为更具体的情景开发方程。反馈可以是频率相关的，或根据需要是平坦的。

使用反馈的op am电路的两个最简单的例子是反相和非反相放大器的格式。

反转运算放大器增益

反相运算放大器电路的电路如下所示。该电路的输出与输入的相位相差180度，并提供虚拟接地输入。

基本的反相运算放大器电路

很容易得出运算放大器增益方程。运算放大器的输入本身不吸收电流，这意味着流入电阻R1和R2的电流是相同的。使用欧姆定律Vout / R2 = -Vin / R1。因此，电路Av的电压增益可以取为：

Av=−R2/R1

例如，可以通过使R2为47k欧姆和R1为4.7k欧姆来构建需要增益为10的放大器。

非反相运算放大器增益

非反相运算放大器的电路如下所示。它提供比反相运算放大器电路更高的输入阻抗。

基本的非反相运算放大器电路

用于运算放大器的非反相电路的增益易于确定。计算取决于两个输入端的电压相同的事实。这是因为放大器的增益非常高。如果电路的输出保持在放大器的电源轨内，则输出电压除以增益意味着两个输入之间几乎没有差异。

由于运算放大器的输入不吸收电流，这意味着流入电阻器R1和R2的电流相同。反相输入端的电压由一个由R1和R2组成的分压器构成，当两个输入端的电压相同时，反相输入端的电压必须与非反相输入端的电压相同。这意味着Vin = Vout×R1 /（R1 + R2）。因此，电路Av的电压增益的运算放大器增益公式可以取为：

Av=1+R2/R1

例如，可以通过使R2为47k欧姆和R1为4.7k欧姆来构建需要增益为11的放大器。

运算放大器的增益很容易确定。不同电路的计算略有不同，但基本上两个电路都能提供相似的增益水平，尽管相同的运算放大器增益电阻值不会相同。

在其他情况下运放增益

在具有负反馈的线性应用中使用运算放大器是正常的。这利用开环放大器的非常高的增益来提供由外部组件控制的可重复性能。

然而，也可以使用具有其他形式的反馈的运算放大器来产生其他效果。通常，这种类型的反馈用于提供切换，对于这种切换，比较器提供更好的性能，因为它们更快地操作并且不受锁定问题的影响，但这并不意味着正反馈的基本原理不适用。

也就是说，负反馈是模拟线性应用最广泛使用的反馈形式。

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