嵌入式硬件设计中的运算放大器基础：理论、特性与应用
嵌入式硬件设计中的运算放大器基础：理论、特性与应用
运算放大器（运放）是嵌入式硬件设计中不可或缺的重要模拟电路元件。它不仅能够实现信号的放大，还能完成加法、减法、积分、微分等多种功能。本文将从运放的理论知识、传输特性、优点以及工作原理等方面进行详细讲解，帮助读者全面了解这一关键组件。
运放的理论知识
下图为运算放大器的符号，主体为一个三角形，有五个引脚，下述对引脚进行阐述。
非反相输入端（+）：
该引脚用于输入信号，输入信号经过运放后保持相位不变。
适用于增益为正的放大电路。
反相输入端（-）：
该引脚同样用于输入信号，但输入信号经过运放后会反相。
适用于增益为负的放大电路，常用于差分放大等应用。
输出端（Out）：
运放的输出信号从此引脚输出，输出电压取决于输入信号和电路配置。
该端口可以驱动负载。
电源引脚（V+ 和 V-）：
运放通常需要正负电源供电，V+为正电源引脚，V-为负电源引脚。某些单电源运放仅有V+引脚。
确保运放工作在适当的电源电压范围内，以保证其性能。
运算放大器（运放）和三极管（BJT、FET等）都是用于信号放大的重要组件，但它们在结构、工作原理和应用方面存在显著的区别。以下是两者的比较。
此为运放电路的结构图：
此为三极管放大电路：
- 基本结构
- 运放：
- 运放通常由多个晶体管、二极管和电阻构成的集成电路。它具有多个引脚（如非反相输入、反相输入、输出、正负电源等）。
- 三极管：
- 三极管是一种单一的半导体元件，主要有三根引脚（发射极、基极、集电极）。它可以是NPN或PNP类型。
- 工作原理
- 运放：
- 运放基于差动放大原理，输出电压为两个输入端电压之差的放大。运放可以通过外部反馈电路配置来控制增益和频率响应。
- 三极管：
- 三极管通过基极电流控制集电极与发射极之间的电流。其工作主要依赖于电流放大原理。
- 增益特性
- 运放：
- 运放具有非常高的开环增益（通常为10^5到10^6），但通过负反馈可以稳定增益并提高线性度。
- 三极管：
- 三极管的增益（β或hFE）相对较低，通常在20到1000之间，且对温度和其他因素敏感。
- 输入和输出阻抗
- 运放：
- 运放具有高输入阻抗和低输出阻抗，适合用于信号源的连接。
- 三极管：
- 三极管的输入阻抗通常较低（尤其是BJT），输出阻抗较高，可能需要使用阻抗匹配电路。
- 电源需求
- 运放：
- 运放通常需要双电源（正负电源），但有些类型支持单电源供电。
- 三极管：
- 三极管一般只需要一个电源供电，适用性更广。
运算放大器的传输特性
当我们了解完引脚功能之后，接下来对运放的特性图进行掌握。
上述参数引脚已经一一对应上了，A 即为运放的放大倍率，它是运放的一个固有参数，这个参数我们先不用去考虑，接下来的篇幅也会对其开展。只需要知道一般来说A非常大，可以达到几十万，因此，相关特性图的函数图也会非常 “陡峭” Up跟Un相差几十微伏或者更小时，才会进入这个区间。
下述图示部分就开始对传输特性进行演示以及模拟了，运放比较器。
运放比较器的工作原理基于其高增益特性。当两个输入电压（非反相输入和反相输入）被施加到运放的输入端时，运放会根据这两个电压的大小关系产生输出信号：
- 当 V+ > V-（非反相输入电压大于反相输入电压）时，输出接近正电源电压（Vout ≈ V+）。
- 当 V+ < V-（非反相输入电压小于反相输入电压）时，输出接近负电源电压或接地（Vout ≈ V-）。
这种特性使得运放可以用于实现开关行为。
Un 从 0V 上升到 5V 的过程中，输出电压波形如下所示。
当 Un 位于正弦波的下方时，Up > Un，输出 高电平。
当 Un 位于正弦波的中间时，输出 高电平。
当 Un 位于正弦波的上方时，输出 低电平。
综上，我们用的只是非线性区，对于中间的线性区域才是最重要的，后文笔者会对此放大器进行详细的梳理。
运算放大器的优点
- 高增益：放大倍数为几千到几十万！Au = 10000+
- 线性度好：三极管放大电路会出现非线性失真，运放不会
- 输入阻抗(Ri)高（无穷），输出阻抗(Ro)低（几欧姆）
- 使用方便，电路结构简单，可控性好。
下图为原理图中的结构。
运放的原理
将同相端与反相端的电压差值放大Au倍
由运放的放大曲线知： 如果U+ - U- 超过了一定的值， 运放的输出电压就不会随着输入电压的差值增大而增大， 会变为水平，进入饱和区。 饱和电压为运放的供电电压。 如何才能正常的放大实际信号呢？显然， 第一个条件是运放必须工作在线性区， 第二个条件：运放必须引入反馈，工作在闭环状态。
u+ 为同相输入端，u- 为反相输入端，uo为输出端
三者满足以下关系： Uo = Au*（U+ - U-）
前面说过，Au为放大倍数，一般为几万到几十万！
现假设如下：
U+ = 0.002mV，U- = 0.001mV，Au = 100万 = 10^6 那么Uo = 10^6*（0.002 – 0.001） = 1 V
开环：不接反馈电阻Rf 闭环：输出端经过反馈电阻接到反相输入端
饱和电压为运放的供电电压。根据这个性质， 运放在开环状态可以当作电压比较器使用