运算放大器的概念及基本结构

文章目录

• 前言
• 一、运算放大器是什么?
• 二、运放的开环增益
• 三、运放的输入阻抗、输出阻抗
• 四、运算放大器的基本结构
• 五、运放的开环和闭环使用
• 总结

前言

作为硬件设计中最常用的运算放大器，有必要了解和掌握。单个三极管放大倍数离散度很大，虽然硬件电路简单，却无法满足各种各样的放大倍数以及运算。只依靠外围器件从而决定放大倍数的 运算放大器 应运而生。

一、运算放大器是什么?

运算放大器是一种

多级放大器

多级直接耦合放大器

高增益、高输入阻抗，低输出阻抗的多级直流耦合放大器

高共模抑制比、高增益、高输入阻抗、低输出阻抗 的多级直接耦合放大器

运放的主要性能优点叫做Features,一般在其芯片手册首页给出。

运放的选型首先是将技术项目的指标转换成对电路的性能要求，再根据运放的指标，选择能够满足电路性能要求的型号的运放。

运放型号的选用不当将导致电路性能不符合设计预期，达不到相应的项目所需的技术指标。

二、运放的开环增益

开环增益是指：运放输出端的电压与运放两个输入端之间电位差的比值。

即Uo/(Up-Un).

运放的开环增益 直接影响用运放通过负反馈构成实际的放大器 后其放大倍数的精度。

运放的开环增益一般可达到100dB以上(105)，有的运放甚至高达160dB(108)。

但是 运放的开环增益与工作频率(输入信号频率)有关。频率越高，开环增益越低 。如图所示。

所以，需要根据实际工作频率确定运放的增益，以确定放大器的增益精度

但是高的开环增益依然有利于低频或直流情况下的精度

三、运放的输入阻抗、输出阻抗

1、输入电阻是指：运放两个输入端之间的等效电阻(前提是运放工作在线性状态)。 **

输入电阻和输出电阻的概念大家可以看看我这篇。

输入阻抗和输出阻抗

2、运放的输入电阻一般可以达到几百千欧，典型值是 1MΩ 。

3、运放的输入电阻之所以需要比较高，是因为在用运放通过负反馈构成实际的放大器后，运放输入电阻的影响可以忽略不计。这样，放大器的增益完全由外部元件决定。

3、运放的输出电阻很小，一般只有几十欧姆。

4 、运放在线性应用时，一般采用电压负反馈，而电压负反馈是降低输出电阻的(降低1+AF倍)，所以，实际的运放电路的输出电阻往往只有零点几欧姆。

5、运放低的输出电阻当然是为了具有更好的输出特性，即更好的驱动负载的能力。

6、理想运放的输入电阻应该是无穷大，输出电阻应该是零，电压增益应该是无穷大。

7、理想运放构成的放大器，其特性完全取决于外部元器件。——这是人们希望的

8、实际当然不可能，故会带来误差。问题是：只要把误差控制在技术要求可接受的范围!

四、运算放大器的基本结构

1、运放输入级一定是差动放大器，中间级为共射放大器，输出级为射极跟随器(双极型管运放)。

2、运放的两个输入端就是差动放大器的两个基极，但是这两个输入端并没有在内部设定偏置，而是置空状态。使用时，需要外部为其设置偏置(这样做是为了适应各种不同的应用情况)

3、无论外部怎么给偏置，偏置电流不变，而且，电源电流也不会因不同供电电压而改变。—— 这是因为运放内部往往采用恒流源偏置。

五、运放的开环和闭环使用

运算放大器既可能开环使用，也可能闭环使用。

开环使用就是把运放当做电压比较器使用，此时运放工作于非线性区，而在线性情况下的技术指标(输入电阻、输出电阻、带宽增益积等等)将不再适用。

闭环使用则分两种情况： 正反馈闭环 和 负反馈闭环。

正反馈闭环情况则运放同样工作在非线性区，与开环情况类似。

而负反馈情况下，由于环路的自动调节作用，将迫使运放工作在线性区。

注意：但是运放本身不能在开环情况下直接用于放大信号，即使输入信号幅度足够小。

低频增益太高，无法保证静态处于线性区。

开环增益与频率有关，无法保证运放在一定带宽范围内增益的恒定性。

增益无法根据需求进行人为设置。

总结

1、首先，运放的增益与频率有关。

2、而运放的输入阻抗不仅有输入电阻，还有输入电容。所以输入阻抗与频率有关。

3、运放的输出级由于是跟随器的电路形式，所以输出电阻小。但是随着频率的升高，跟随器的跟随能力下降，这将导致输出电阻的上升。所以输出电阻也与频率有关。

4、运放闭环应用时(负反馈)，电路的输入输出阻抗将发生变动(电压/电流负反馈将降低/升高输出电阻、串联/并联负反馈将提高/降低输入电阻)。

5、在反馈深度1+AF中，由于开环增益A与频率有关(随频率的升高A将下降)，故反馈深度与频率有关。

6、故负反馈闭环情况下，由负反馈所带来的对放大器性能的影响，其具体的影响的量都与频率有关。

7、一切与频率有关——这是使用运算放大器时的一个基本概念。