硬件基础01 运算放大器理论
硬件基础01 运算放大器理论
运算放大器是模拟集成电路中应用极为广泛的器件，它不仅用于信号的放大、运算、处理、变换、测量、信号产生和电源电路，而且还可用于开关电路中。本文将详细介绍运算放大器的理论知识，包括理想运放的特性、基本线性运放电路以及运算放大器的实际特性。
1. 理想运放
理想运放具有以下特性：
- 输出电压的饱和极限值等于运放的电源电压，即+Vom = V+和-Vom = V-。亦即理想运放工作在限幅区。
- 理想运放的开环电压增益 Avo → +∞。当运放工作在线性区（与负反馈连接有关）时，其输出电压 Vo=Avo(Vp-Vn)，由于Vo不超过电源电压，且Vo数值有限；因此Vp-Vn＝Vo/Avo≈0，即Vp≈Vn，即两输入端近似短路，称为虚短。
- 理想运放输入电阻ri → +∞，由于因此输入电流i=(Vp-Vn)/ri≈0，即输入同相端与流出反向端的电流基本为零；因此输入接近断路，称为虚断。
- 理想运放的输出电阻 r→0，输出电压 Vo =Avo(Vp -Vn)。
- 开环带宽 BW → +∞。（对所有频率的信号都有相同大小的 Avo)。
实际情况：实际使用的运算放大器，基本上达不到上述所说的所有指标，具体请看后续博客的介绍。
2. 基本线性运放电路
可以看到下面的电路形式非常非常非常简单，只有几个电阻且舍去了供电。实际电路和本电路会相差非常大，在后续的仿真实践篇会讲到。
（1）同相放大电路
在信号处理功能中，经常要遇到要将某一信号电压 Vi，乘以常数 Av，得到输出电压Vo=Av*Vi，其中Av=(1+R2/R1)求解电路的增益。
深度负反馈是虚短的条件，在同相放大电路中，加到两输入端的电压大小接近相等。相位相同是它在闭环工作状态下的重要特征。
（2）电压跟随器（高输入、低输出）
即输出电压与输入电压大小相等，相位相同，称为电压跟随器，增益为1。
可以看到如果信号源输出电阻为100kΩ，带载1kΩ，经过电压分级Vo＝0.01Vs，这是实际场景所不能接受的；因此，如果加入“理想运放”，由于无限大的输入电阻与无限小的输出电阻，即保证了输入进的电压几乎全部分压到运放，而输出的电压全部分压到负载。
（3）反相放大电路（较低的输入、低输出）
由于电路特性，反相放大电路由于输入阻抗不高，约为R1，且将输入转为反相、电压具有偏移，因此实际电路运用较少，多为求和、加法场景使用。Vo=Av*Vi，其中Av=-(R2/R1)
（4）求和电路、加法放大器
求和电路、加法放大器，可以用同相输入设计，也可以用反相输入设计，我们可以进行个对比，首先为同相输入设计
看到问题了吗，如果以Av=(1+R4/R3)，作为V1和V2的共同增益，无论单独调节R1还是单独调节R2，都会影响彼此的输出增益，因此增益值很不利于计算。
而如果用反相输入设计
如果以Av=-Rf作为V1和V2的共同增益，无论单独调节R1还是单独调节R2，都不会影响彼此的输出增益，因此增益值很利于计算。
同相输入 反相输入
输入阻抗 高 低
虚地（Vp或Vn是否接地） 无 有
增益计算 差 优
增益 ＞1 ≤-1
相位 0 180°
因此如果实际场合对输入阻抗要求不高，抗干扰要求较高，增益要求为1的情况，可以选择反相输入来设计；
如果要求高输入阻抗，系统本身有较大的共模电压，运放本身具有较高的共模抑制比，电路增益固定且大于1的情况，可以选择同相输入来设计。
（5）求差电路、差分放大器（低输入、低输出）
如下图生动的描述了差分的意义，即差分只放大不同的部分，相同的部分会被消除，多用于差分转单端等场景。即主要抑制共模信号（共模抑制比CMR），放大差模信号
差分放大器可以实现1的增益，然而输入阻抗低，且实际电路受限于R1、R2电阻不够精确，会影响到共模抑制比，如何解决呢，因此具有了（6）
（6）仪表放大器（高输入阻抗、高共模抑制比、低输出阻抗）
如下图经过修改，可以看到V1和V2的都接到了同相输入端，前面我们提到过，同相输入的输入阻抗非常高。因此A1和A2构成两个同相放大器从而提供较高的输入阻抗和电压增益，而A3作为一个增益为1的差分放大器，即使A3输入阻抗低，但是A1、A2输出阻抗同样较低，因此符合实际应用场景。
而实际场景下，仪表放大器一般被设计为专用的芯片，即A1、A2、A3、R1、R2都可能已经设计到了芯片的内部，从而保证A1和A2的相同性，R1、R2的数值精确性等，留出RG用于用户调节电压增益的设计。
如图INA128，是一个非常经典的仪表放大器。
3. 运算放大器的实际特性
运算放大器实际具有非常多的参数指标意义，下一篇博客会分析数据手册，从而告诉大家实际设计的时候应该考虑的情况。