运放的工作原理、参数意义、应用电路场景，以及如何选型

运放的工作原理、参数意义、应用电路场景，以及如何选型

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_63469121/article/details/146221681

运算放大器（Operational Amplifier, Op-Amp）是电子工程领域中一种重要的基本单元，广泛应用于信号放大、数学运算、信号调理、比较与切换等多种场景。本文将详细介绍运放的工作原理、关键参数、典型应用电路、应用场景以及选型步骤，帮助读者全面了解和掌握运放的使用方法。

一、运放的工作原理

1. 基本结构

运算放大器（Operational Amplifier, Op-Amp）是一种高增益的直接耦合差分放大器，核心由差分输入级、电压放大级、输出级和偏置电路组成。其符号如下：

• 同相输入端（+）：信号由此输入时，输出与输入同相位。
• 反相输入端（-）：信号由此输入时，输出与输入反相位。
• 输出端（out）：放大后的信号输出。

2. 理想运放特性

• 开环增益（Aol）：无穷大（实际为10^5~10^6）。
• 输入阻抗：无穷大（实际为10^6~10^12Ω）。
• 输出阻抗：零（实际为几十欧姆）。
• 带宽：无穷大（实际受增益带宽积限制）。
• 共模抑制比（CMRR）：无穷大（实际100dB以上）。

3. 实际运放的非理想特性

• 输入失调电压（Vos）：输入电压差为零时，输出存在的电压偏移（典型值：1 μV ~ 5 mV）。
• 输入偏置电流（Ib）：输入端流入/流出的小电流（典型值：pA ~ μA）。
• 压摆率（Slew Rate, SR）：输出电压最大变化速率（典型值：0.5 V/μs ~ 1000 V/μs）。
• 增益带宽积（GBW）：增益与带宽的乘积，决定频率响应（例如：1 MHz 的运放在增益为 10 时带宽为 100 kHz）。

二、关键参数及其意义

三、运放的核心作用

1. 信号放大

• 放大微弱信号（如传感器输出）。
• 支持反相、同相、差分等多种放大模式。

2. 数学运算

• 加法/减法：实现多信号叠加或差值计算。
• 积分/微分：用于模拟计算或波形变换。

3. 信号调理

• 滤波：有源低通、高通、带通滤波器。
• 阻抗匹配：电压跟随器（高输入阻抗，低输出阻抗）。

4. 比较与切换

• 比较器：判断输入信号大小，输出高/低电平。
• 振荡器：与RC网络配合生成周期性信号。

四、典型应用电路

1. 反相放大器

公式：Vout = -Vin * (Rf / Rin)

特点：输入阻抗低（Rin），输出反相。

2. 同相放大器

公式：Vout = Vin * (1 + Rf / Rin)

特点：输入阻抗高，输出同相。

3. 电压跟随器

公式：Vout = Vin

作用：隔离前后级电路，缓冲高阻抗信号源。

4. 差分放大器

公式：R1/R4=R2/R3=RB/RA

应用：抑制共模噪声（如电桥传感器信号提取）。

5. 积分电路

公式：Vout = -1/(RC) ∫Vin dt

应用：波形生成（三角波）、控制系统。

6. 有源低通滤波器

截止频率：fc = 1/(2πRC)

特点：高频衰减，低频通过。

五、应用场景

六、运放选型步骤

1. 明确系统需求

• 电源电压：单电源（3.3V/5V）还是双电源（±15V）？是否需要轨到轨？
• 信号特性：带宽（如音频 20 kHz，视频 10 MHz）、幅度（mV 或 V 级）、精度要求（如 12 位 ADC 需 10 mV 以下失调电压）。
• 负载驱动：输出电流需求（如驱动 50 Ω 负载需 20 mA 输出电流）。

2. 筛选关键参数

• 精度：选择低失调电压 Vos、低温漂运放（如 AD8628）。
• 速度：增益带宽积（GBW）需满足GBW≥闭环增益×信号带宽 。
• 功耗：电池供电系统选低静态电流运放（如 LTC2067）。

3. 验证稳定性

• 相位裕度：通过波特图分析闭环稳定性（需仿真工具如 LTspice）。
• 补偿设计：必要时添加反馈电容（如 Miller 补偿）。

4. 封装与成本

• 封装：贴片（SOT-23、SOIC）还是直插（DIP）
• 成本：通用运放（LM358） vs 精密运放（ADA4528）。

七、经典运放型号推荐

八、实际设计注意事项

1. 电源去耦：

在电源引脚附近添加 0.1 μF 陶瓷电容 + 10 μF 电解电容，降低噪声。

2. PCB布局：

• 输入信号远离输出和电源线，避免串扰。
• 对称布局差分信号线，减少共模噪声。

3. 热管理：

大电流输出时，运放可能发热，需预留散热孔或使用散热片。