初识运放 - 运放的基本工作原理介绍

初识运放 - 运放的基本工作原理介绍

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/dmf_fff/article/details/138923191

1. 初识运放 - 认识运放的基本特性

运放的全称是运算放大器，顾名思义，运放主要具有运算和放大两个主要特性，运放本身具有对差模信号的放大功能，当给它加上一定形式的负反馈，就能完成加法、减法、积分、微分等数学运算，运算特性本质是对放大特性的应用。

1.1 认识运放的放大特性

1.1.1 无反馈网络下运放的放大特性

• 如下图所示，运放由两个输入端和一个输出端，“ + ” “+”“+”所示的位置为同相输入端，使用u p u_pup 表示。“ − ” “-”“−”所示的位置为反相输入端，使用u n u_nun 表示, 在无反馈网络的情况下，会对差模电压, 即 对**( u p − u n ) (u_p-u_n)(up −un )进行放大。放大倍数 通常使用A o d A_{od}Aod **表示，公式为：u o = A o d ( u p − u n ) u_o = A_{od} (u_p - u_n)uo =Aod (up −un )
• 运放的内部我们可以先简单理解为由三极管和mos管组成的多级放大电路，运放的设计目标之一就是让A o d A_{od}Aod 无限大，但在实际器件中无限大是不可能实现的，一般为1 0 4 − 1 0 7 10^4-10^7104−107。 如下图所示放大倍数越高，线性区的斜率越大。 同时u o u_ouo 也是不可能无限大的，u o u_ouo 的的最大和最小输出会接近正负电源电压，
  注1：u o u_ouo 的的最大和最小输出会“接近”正负电源电压，而不是“等于”正负电源电压，具体值需参见手册。
• u o u_ouo 的的最大和最小输出在 “接近” 正负电源电压后不会继续增大，这是运放的输出行为称为饱和输出，如上图所示。将非饱和输出的阶段称为线性区，将饱和输出的阶段称为非线性区。
  注 ：u o = A o d ( u p − u n ) u_o = A_{od} (u_p - u_n)uo =Aod (up −un )仅在线性区成立。

1.1.2 运放的虚短和虚断特性

• 虚断特性：在线性区和非线性区都存在，由运放的物理特性决定。
• 运放内部由多级放大电路组成，运放的正端输入和负端输入分别接入第一级放大电路，即三级管的基极或mos管的栅极。
• 运放的输入阻抗即为第一级放大电路的输入阻抗，差模输入阻抗很高,通常在几十MΩ到几百MΩ甚至更高，采用JFET或MOSFET输入级的运放,其输入阻抗可达1TΩ(10^12Ω)以上。
• 所以在进行电路分析时可以认为u p u_pup 和u n u_nun 与运放之间是断路的，
• 因为虚断特性（或者说输入阻抗非常高），运放可以对非常微弱的信号进行放大。
• 虚短特性：仅存在于线性区，对线性区公式u o = A o d ( u p − u n ) u_o = A_{od} (u_p - u_n)uo =Aod (up −un )继续推导,如下，我们可以认为在线性区u p u_pup 总是等于u n u_nun ，即可以认为u p u_pup 和u n u_nun 是短路的（并不是真的短路，称为虚短）。
  u o = A o d ( u p − u n ) u o A o d = u p − u n / ∗ 理想情况下 A o d 非常大 ∗ / 0 ≈ u p − u n u p ≈ u n u_o = A_{od} (u_p - u_n) \ \frac{u_o}{A_{od}} = u_p - u_n \ /* 理想情况下A_{od} 非常大*/ \ 0 \approx u_p - u_n \ u_p \approx u_nuo =Aod (up −un )Aod uo =up −un /∗理想情况下Aod 非常大∗/0≈up −un up ≈un

1.2 理解运放的内部工作原理

• 我们首先可以简单理解，运放内部有两条对称的放大电路，一条对u p u_pup 进行放大， 一条对u n u_nun 进行放大，然后将放大后的差值进行输出。

1.2.1 理解共模输入抑制

共模抑制的根本原因是运放内部的两条放大电路时完全对称的，受温度等外界影响也是对称的。
注：完全对称是一种理想状态，现实中不可能完全对称。

1.2.2 理解差模输入放大

差模放大就很好理解了，对两个不一样的信号放大，差值也会放大。共模抑制和差模放大这一组概念本质就是运放内部的两条放大电路时完全对称，受温度等外界影响也是对称的。

2. 运放的主要参数

• 开环差模电压放大倍数A o d A_{od}Aod
• 运算放大器的差模电压的放大倍数，一般为1 0 4 − 1 0 7 10^4 - 10^7104−107,一个理想的运放A o d A_{od}Aod 应该是无限大的。
• 输入失调电压U o s U_{os}Uos
• 一个理想的运放内部两路放大电路时完全对称的，故输入为0（正负端输入完全一样）时，输出也应为0，但在实际中运放内部两路放大电路不可能完全对称。
• 失调电压U o s U_{os}Uos 为输出为0时，输入段应补偿的电压，通用型运放的U o s U_{os}Uos 为mV数量级，有些运放可小至μV数量级。
• 共模放大倍数A o c A_{oc}Aoc , 差模放大信号A o d A_{od}Aod ，共模抑制比K C M R K_{CMR}KCMR
• 差模放大信号A o d A_{od}Aod 前面说过，差模放大倍数A o d A_{od}Aod 指的是对于反相、相同幅值的差模信号(差分信号),运算放大器的放大倍数。
• 共模放大倍数A o c A_{oc}Aoc 指的是对于同相位、同幅值的共模信号(同相信号),运算放大器的放大倍数。
• 理想情况下,共模放大倍数A o c A_{oc}Aoc 应当为1,即对共模信号不放大。差模放大信号A o d A_{od}Aod 应无限放大。
• 共模抑制比等于差模放大倍数A o d A_{od}Aod 与共模放大倍数A o c A_{oc}Aoc 之比的绝对值，这个指标用以衡量集成运放抑制温漂的能力。K C M R K_{CMR}KCMR 越大越好，K C M R K_{CMR}KCMR 越大，对温度影响的抑制能力就越大。
  K C M R = ∣ A o d A o c ∣ K_{CMR} = \vert \frac{A_{od}}{A_{oc}} \vertKCMR =∣Aoc Aod ∣
• 输入偏置电流I I b I_{Ib}IIb
• 运放的输入阻抗非常大（虚断的概念），但却不是无限大，总会有一些电流，输入偏置电流I I b I_{Ib}IIb 就是正向输入端和反向输入端电流的平均值。
  I I b = 1 2 ( I b 1 + I b 2 ) I_{Ib} = \frac{1}{2}(I_{b1} + I_{b2})IIb =21 (Ib1 +Ib2 )
• 输入失调电流I o s I_{os}Ios
• 与失调电压U o s U_{os}Uos 类似，也是受运放内部两路放大电路不可能完全对称的影响，失调电流I I O I_{IO}IIO 为正向输入端和反向输入端电流的差值。
  I o s = ∣ I b 1 − I b 2 ∣ I_{os} = \vert I_{b1} - I_{b2} \vertIos =∣Ib1 −Ib2 ∣
• 差模输入电阻R i d R_{id}Rid
• 最大输出电压U o m a x U_{omax}Uomax
• 最大共模输入电压U i c m a x U_{icmax}Uicmax
• 最大差模输入电压U i d m a x U_{idmax}Uidmax
• 最大输出电流I o m a x I_{omax}Iomax
• 单位增益带宽f c f_cfc
• 通俗讲就是高频信号下导致运放失去放大能力的频率
• f c f_cfc 是指开环差模增益A o d A_{od}Aod 下降到0dB（即A o d A_{od}Aod =1，失去放大能力）时的信号频率。
• -3dB带宽f H f_HfH
• f H f_HfH 是指使开环差模增益A o d A_{od}Aod 下降3dB（或使电压放大倍数下降到其最大值的70.7%）时的信号频率。
• 增益带宽积G B W GBWGBW
• GBW是开环差模增益A o d A_{od}Aod 与-3dB带宽f H f_HfH 的乘积，即G B W = A o d ∗ f H GBW = A_{od} * f_HGBW=Aod ∗fH ，它是一个常数。
• 转换速率S R SRSR
• 转换速率又称上升速率，它反映了集成运放对快速变化信号的响应能力。

3. 无反馈运放 - 比较器（非线性区工作的应用）

运放的无反馈电路应用不多，可以用作比较器，利用其在非线性区工作的特性。
注：主要在非线性区工作，分析电路时不能利用虚短特性。

4. 正反馈电路 - 施密特触发器（非线性区工作的应用）

无反馈电路会存在抖动，利用正反馈可以形成施密特触发器，下面是仿真和仿真结果。
注：主要在非线性区工作，分析电路时不能利用 虚短特性 。

5. 负反馈电路 （线性区工作的应用）

负反馈电路将输出信号u o u_ouo 接入负反馈端u p u_pup ，假设正端信号u p u_pup 增加，运放输出u o u_ouo 会增加，但由于负反馈，部分输出电压被反馈回来，抵消了输入信号的增加，最终使输出电压保持在一个线性响应范围内。
通俗的理解：u p > u n u_p > u_nup >un ,u o u_ouo 变大，因为负反馈。u n u_nun 也变大，直到u p < u n u_p < u_nup <un ,u o u_ouo 又变小，然后u p u_pup 又大于u n u_nun ,如此反复，最终使输出电压保持在一个线性响应范围内。

• 下图是一个放大两倍的电路，负反馈电路工作在线性区，可以利用虚短和虚断的特性分析电路，有了前面的知识，相信分析这个电路是轻而易举的。
  

6. 总结

运放的应用主要是利用其在线性区，即负反馈网络的特性，本文仅仅介绍运放的基本原理，关于运放的更多应用会在后续的文章中介绍。