运算放大器的工作原理和基本电路 使用运算放大器的电路设计

什么是运算放大器？

运算放大器（Operational Amplifier，简称OP、OPA、OPAMP、运放）是具有很高放大倍数的电路单元，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器，其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中用以实现数学运算，因而得名“运算放大器”。

在多数的常规设计中，我们使用运放的理想模型，忽略其内部结构。把它当作一个“具有放大作用的元件”，接上电源，便可以让它发挥放大的作用。所谓理想的运放，它的输入阻抗无穷大，输出阻抗为零，如下图所示。

理想的运放电路分析有两大重要原则贯穿始终，即“虚短”与“虚断”。“虚短”的意思是正端和负端接近短路，即V+=V-,看起来像“短路”;“虚断”的意思是流入正端及负端的电流接近于零，即I+=I-=0,看起来像断路（因为输入阻抗无穷大）。

运算放大器是差分输入、单端输出的极高增益放大器，常用于高精度模拟电路，因此必须精确测量其性能。运算放大器是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器，广泛应用于家电、工业以及科学仪器领域。

在实际应用中，可以通过采用具有出色输入特性的运算放大器，并进一步提高其性能，使其电压范围、增益精度、压摆率和失真性能均优于原来的运算放大器，以满足不同的需求。

运算放大器的工作原理

下面显示的是一个简单运算放大器的内部框图（不带电源）。

有两个输入引脚和一个输出引脚。 –ve 输入称为 反相输入，+ve 输入称为 同相输入 。输入连接到差分放大器，然后是更多差分放大级。

在差分放大器中，我们发现了所谓的长尾对。晶体管 Q1 和 Q2 是一对非常匹配的FET 或双极晶体管。。它们通过配置为恒流源的晶体管 Q3 连接到 –ve。

+ve 和 -ve 输入之间的任何电压差都会导致 Q1 和 Q2 的集电极或漏极成比例摆动。这称为运算放大器的开环增益。 Q1 和 Q2 原始增益的任何差异都会导致不必要的大输出摆幅。通过添加一些组件以在输入和输出之间提供负反馈，这一切都可以置于我们的控制之下并变得可预测。

差分放大后，电平移位级将输出电压摆幅集中在 0V 附近，因为所有级都是直流耦合的。最后，低阻抗输出放大器驱动负载并防止输出的任何变化影响输入。

运算放大器的电路符号

简化的、理想化的运算放大器是一个三端器件。

左边的两个端子是输入，右边的端子是输出。请注意，输入端子有不同的标签：加号表示 同相输入端子 ，减号表示 反相输入端子 。

真正的运算放大器至少需要五个端子——两个输入、一个输出和两个电源连接：

双电源运算放大器电路（左侧）使用正电源电压和负电源电压。在单电源配置中（右侧），负电源端子接地。

当我们绘制运算放大器时，我们经常省略电源端子，因为我们假设该器件连接到电源电压，以便在给定应用的情况下能够正常运行。然而，重要的是要记住运算放大器的输出电压范围受到其电源电压的限制。

运算放大器的基本电路

1、同相放大器电路

同相放大器是一种运算放大器电路配置，可产生放大的输出信号。它提供高输入阻抗以及使用运算放大器获得的所有优势。电路图如图1所示：

图1 同相放大器电路

2、反相放大器电路

反相放大器(也称为反相运算放大器或反相运算放大器)是一种运算放大器电路，它产生的输出与其输入相差 180 度。来输入信号。在图2中，两个外部电阻器用于创建反馈电路并在放大器两端形成闭环电路。

图2 反相放大器电路

运算放大器作为加法器通过将更多输入连接到反相运算放大器，可以构成加法器电路。加法放大器的电路图如图3所示。

图3 运算放大器作为加法器

3、差分放大器电路

差分放大器是一种具有两个输入和一个输出的模拟电路，其输出理想地与两个电压之间的差成正比。这是一个非常有用的运算放大器电路，通过添加更多与输入电阻并联的电阻，如图4所示。

图4 差分放大器

4、复合放大器电路

复合放大器被称为多个运算放大器的组合，这些运算放大器与整个网络的负反馈回路级联在一起。这些反馈回路本质上是负的，因此它们也被称为嵌套反馈放大器。负反馈有助于减少输出的波动。这些波动可能由于输入的变化或外部干扰而发生。系统输出的某些功能被输入到输入，从而实现负反馈。如图5所示。

图5 复合放大器

电路中的电阻一般选择在K欧姆级别，电阻的比值影响增益和偏置，另外，运放的供电电流、频率响应和容性负载驱动能力决定了它们在电路中的具体值。如果用于高频电路，需要降低电阻以获得更好的高频响应，但会增加输入偏置电流，从而增加电源的电流。

使用运算放大器的电路设计

1、使用运算放大器的过流保护电路设计

可以通过使用运算放大器感测过电流来设计一个简单的过流保护电路，并根据结果驱动Mosfet 断开/连接负载与电源。相同的电路图很简单，如图所示。

从图中可以看出，MOSFET IRF540N 用于在正常和过载条件下控制负载的开启或关闭。但在关闭负载之前，必须检测负载电流。这是通过使用分流电阻器R1来完成的，它是一个1欧姆分流电阻器，额定功率为2 瓦。这种测量电流的方法称为分流电阻电流检测。

在MOSFET导通状态期间，负载电流流经MOSFET的漏极至源极，最后通过分流电阻流至GND。根据负载电流，分流电阻会产生一个电压降，可以使用欧姆定律计算出该电压降。因此，让我们假设，对于1A 的电流(负载电流)，分流电阻器上的压降为1V，因为V = I x R(V = 1A x1欧姆)。因此，如果将此压降与使用运算放大器的预定义电压进行比较，可以检测过流并改变MOSFET的状态以切断负载。

运算放大器通常用于执行加、减、乘等数学运算。因此，在该电路中，运算放大器LM358被配置为比较器。根据原理图，比较器比较两个值。第一个是分流电阻器两端的压降，另一个是使用可变电阻器或电位计RV1的预定义电压(参考电压)。RV1充当分压器。分流电阻器上的压降由比较器的反相端检测，并将其与连接在运算放大器同相端的参考电压进行比较。

因此，如果检测到的电压小于参考电压，比较器将在输出端产生一个接近比较器VCC的正电压。但是，如果感测电压大于参考电压，比较器将在输出两端产生负电源电压(负电源连接到 GND，因此在这种情况下为0V)。该电压足以打开或关闭MOSFET。

2、使用运算放大器的电压控制电流源电路设计

这是通过使用运算放大器的电压控制电流源电路设计。如图所示，现在不是直接连接到负输入的运算放大器的输出，负反馈来自连接在N 沟道MOSFET两端的分流电阻器。运算放大器输出连接在Mosfet 门上。

让我们假设，在运算放大器的正输入端提供1V输入。运算放大器将不惜一切代价使负反馈路径为1V。输出将打开MOSFET以在负端子上获得1V。分流电阻的规则是根据欧姆定律产生压降，V= IR。因此，如果1A 电流流过1 欧姆电阻，则会产生 1V压降。

图为负反馈电路

运算放大器将使用此压降并获得所需的1V 反馈。现在，如果连接一个需要电流控制才能运行的负载，可以使用该电路并将负载放置在适当的位置。

图为电流控制的负载电路

下图是运算放大器电压控制电流源的详细电路图。

图为电压控制电流源设计电路图