运算放大器基础知识：什么是运算放大器

运算放大器是模拟电子电路设计中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，没有比运算放大器或运算放大器更能发挥作用的了。运算放大器是一种差分放大器，它是一种非常高性能的放大器电路模块，只需添加少量其他组件即可设计许多不同的电子放大器电路。

带IC的运算放大器电路符号

运算放大器可以构成许多其他电路的基础，从滤波器到定时器，从振荡器到比较器和进波器。因此，运算放大器是模拟电子电路设计工程师和业余爱好者可以使用的最通用的构建模块之一。

使用运算放大器电路的优点之一是，电子电路设计通常非常简单，同时仍能产生高性能成品电路。

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。

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。结果表明，施加到同相输入端的正电压将在输出端产生正摆幅。如果将变化波形（例如正弦波）应用于同相输入，则它将以相同的意义出现在输出端。它没有被颠倒。通过将输入信号施加到同相输入，将负反馈施加到投资输入，可以设计出不会反转输入信号检测的电路。

反相输入：运算放大器反相输入在电路图上用“-”号标记。施加到反相输入端的正电压将在输出端产生负摆幅。因此，正弦波应用于反相输入，将在输出端出现反相。通过将信号和负反馈施加到运算放大器的反相输入端，可以设计输出信号与输入相反的电路。

如果将相同的电压同时施加到两个输入端，则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正比。正是由于这个原因，这些放大器通常被称为差分放大器。

与任何电子电路设计一样，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，因为它们会增加电路图的混乱。

在大多数情况下，运算放大器只需要五个连接即可工作 - 反相、同相、输出和两个电源轨。偶尔可以使用另外三个。这些通常用于“偏移零”功能。这用于减少可能存在的任何直流偏移，对于大多数应用，这些失调可以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特性，其中一些具有优势，而另一些则限制了其性能：

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其非常高的增益。典型的数字从大约10 000开始 - 100 000或更多的数字很常见。虽然具有这种量级增益水平的开环放大器用处不大，但运算放大器能够通过使用负反馈来利用极高增益电平的优势。通过这种方式，增益水平非常可控，失真水平可以保持在非常低的水平。

使用负反馈是释放运算放大器功率的关键。运算放大器的高增益与负反馈的巧妙使用相结合，意味着负反馈网络能够控制运算放大器电路模块的整体性能，使其能够执行许多不同的功能。

高输入阻抗：高输入阻抗是运算放大器的另一个关键方面。理论上，它们的输入电阻应该是无限大的，目前使用的运算放大器非常接近这个电阻，阻抗从0.25MΩ以上。一些使用 MOSFET 输入级的阻抗为数百 MΩ。

低输出阻抗：运算放大器输出阻抗也很重要。正如预期的那样，这应该很低。在理想的放大器中，这应该是零，但实际上许多放大器的输出阻抗小于一百欧姆，许多放大器的输出阻抗远低于此。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其共模抑制。这是指将同一信号应用于两个输入的情况。对于理想的差分放大器，在这种情况下，输出端不应看到输出，但放大器永远不会完美。

实际共模抑制比CMMR是信号施加到两个输入时的输出电平与仅施加到一个输入时的输出电平之间的比率。这个数字以分贝表示，通常超过70dB左右。

通过使用运算放大器的共模抑制，可以设计一个降低低电平信号干扰水平的电路。信号和返回线施加到两个输入端，并且仅放大差分信号，两条线路上拾取和出现的任何噪声或干扰都将被抑制。这通常用于仪表放大器。

带宽有限：运算放大器的带宽变化可能很大。理想的放大器将具有无限带宽，但正如人们可能想象的那样，这是不可能的，而且在实践中也很难使用和驯服。实际上，运算放大器的带宽有限。许多用于音频应用的芯片可能只能在相对较小的带宽上显示其全部增益，在此之后增益下降。尽管如此，大多数电路的作用是降低增益，并使这种较小的增益水平能够在较大的带宽上保持。

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。

当运算放大器电路在放大器周围放置反馈时，改变此值会改变整个电路的特性。改变反馈不仅可以改变增益水平，还可以改变电路的功能 - 只需改变反馈电平和配置，就可以制造微分器、积分器、滤波器、振荡器、非稳态、多谐振荡器和更多电路。

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。

运算放大器品种

与任何其他形式的电子元件一样，运算放大器有多种种类。运算放大器采用多种IC封装。像μA709这样的早期运算放大器采用圆形8引脚金属罐，而后来的运算放大器则采用8引脚双列直插式封装。多个运算放大器也采用 14 引脚 DIL 封装 - 甚至还有采用 8 引脚 DIL 的双运算放大器，但由于封装上的引脚不足，无法访问失调零点功能。

随着电子元件转向表面贴装页面，运算放大器采用低计数封装，因此在需要时可以轻松插入不同的电路。

运算放大器还提供多种性能参数。除了提供一般性能特征的产品外，还有其他产品提供低噪声性能、低失调、高输入阻抗、高频性能以及各种其他增强型领域。

因此，可以获得这些电子元件的格式和性能，几乎可以满足所有要求。

运算放大器是模拟电子器件非常有用的构建模块。作为一种差分放大器电路，它适用于许多领域或模拟电子电路设计。鉴于用途广泛，芯片非常便宜，可用于多种功能。

鉴于其性能、易用性和可以使用它们的各种不同电路，运算放大器被用于大量电路中，既可以作为集成电路本身，也可以作为包含大量模拟功能的集成电路芯片中的电路块。