1、運算放大器 運算放大器（簡稱“運放”）是具有很高放大倍數的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網絡共同組成某種功能模塊。由于早期應用于模擬計算機中，用以實現數學運算，故得名“運算放大器”。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現，也可以實現在半導體芯片當中。隨著半導體技術的發展，大部分的運放是以單芯片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應用于電子行業當中。運放如圖有兩個輸入端a（反相輸入端），b(同相輸入端)和一個輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當電壓U-加在a端和公共端(公共端是電壓為零的點，它相當于電路中的參考結點。)之間，且其實際方向從a 端高于公共端

2、時，輸出電壓U實際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同。為了區別起見，a端和b 端分別用"-"和"+"號標出，但不要將它們誤認為電壓參考方向的正負極性。電壓的正負極性應另外標出或用箭頭表示。一般可將運放簡單地視為：具有一個信號輸出端口（Out）和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運放制作同相、反相及差分放大器。運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電源供電運放，其輸出可在零電壓兩側變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。采用單

3、電源供電的運放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。 運放的輸入電位通常要求高于負電源某一數值，而低于正電源某一數值。經過特殊設計的運放可以允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負電源也被允許。這種運放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運算放大器。 運算放大器的輸出信號與兩個輸入端的信號電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0（E1-E2），其中，A0 是運放的低頻開環增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的輸入信號電壓，E2 是反相端的輸入信號電壓。電壓的放大倍數用DB來表示的話，能放方便描述。集成運算放大器的主要類型（1）通用

4、型運算放大器通用型運算放大器具有一般的性能指標和主要的參數，通用型較強，應用靈活，價格便宜，基本上能兼顧各個方面的要求。（2）低功耗運算放大器低功耗運算放大器在輸出的電平保持為零或者某個規定的電平下功率損耗很小的條件下得集成運算放大器，其特點是：一般采用外接大偏置或用有緣電阻代替高阻值電阻。（3）低漂移、高精度運算放大器低漂移、高精度運算放大器是失調電壓溫漂低、噪聲小、增益和共模抑制比高的一種運算放大器，只要用于毫伏級或者更低量級的微弱信號檢測、計算以及自動控制儀表中。(4)高輸入阻抗運算放大器高輸入阻抗運算放大器是指輸入阻抗不低于10M歐的運算放大器（5）低噪聲運算放大器低噪聲運算放大器是由

5、于放大微弱的信號，用作前置放大器。因此，噪聲電平要最小信號低很多。一般來說，在0.1-10HZ的頻率范圍內，輸入噪聲電平的峰峰值小于2uA的運算放大器稱為低噪聲的運算放大器。（6）高速運算放大器高速運算放大器是指的是具有高單位增益帶寬（一般要求帶寬大于10MHZ）和高德轉換速率（一般要求大于30V/us）的運算放大器。（7）高壓運算放大器高壓運算放大器的工作電壓要高于正負30V。D41的工作的電壓可以再正負150的電源電壓的條件下工作，輸出的電壓范圍可以達到正負125V。（8）多元運算放大器多元運算放大器是指在一個運算放大器上集成了2個或者兩個以上的獨立的運算放大器。（9）單電源運算放大器一般

6、集成運算放大器采用雙電源工作，若用單電源，則需要在電路的分壓上采取方法，即找到一個參考的電位點。（10）電流型運算放大器電流型運算放大器是利用比較兩個輸入電流的大小的運算放大器。（11）跨導運算放大器跨導運算放大器是利用輸入電壓來控制輸出電流的運算放大器，跨導可以通過外加偏置的方法來改變，輸出電流能夠在很寬的范圍內變化。（12）組件式運算放大器組件式運算放大器是利用單片機集成電路、分立元件組合成的一種具有獨特性能的電路，其電器性能可能遠遠超越同類型的產品。（13）程控型運算放大器程控性運算放大器是利用外部的電路控制其工作的狀態當偏置的電流值改變時，其參數也隨之改變，使用靈活，特別適合用于測控電

7、路。（14）寬帶運算放大器寬帶運算放大器是指具有較寬的頻帶，一般增益帶寬為幾十兆HZ。寬帶運算放大器的低頻性能和通用的運算放大器相當，而高頻性能比高速運算放大器的性能還要好。運算放大器的幾個額定參數運算放大器擁有幾個額定的參數，超過額定的參數的時候，運算放大器就容易損壞。這些參數包括最大的電源電壓、最大的差模輸入電壓、輸出短路時的最長持續時間、最大允許的損耗、工作時候的環境允許溫度、存放允許溫度、引線溫度等。一般的情況下，都要求額定參數的條件下工作才可能滿足情況。運算放大器的主要的指標直流指標：輸入失調電壓VIO：輸入失調電壓定義為集成運放輸出端電壓為零時，兩個輸入端之間所加的補償電壓。輸入失

8、調電壓實際上反映了運放內部的電路對稱性，對稱性越好，輸入失調電壓越小。輸入失調電壓是運放的一個十分重要的指標，特別是精密運放或是用于直流放大時。輸入失調電壓與制造工藝有一定關系，其中雙極型工藝（即上述的標準硅工藝）的輸入失調電壓在±110mV之間；采用場效應管做輸入級的，輸入失調電壓會更大一些。對于精密運放，輸入失調電壓一般在1mV以下。輸入失調電壓越小，直流放大時中間零點偏移越小，越容易處理。所以對于精密運放是一個極為重要的指標。輸入失調電壓的溫度漂移（簡稱輸入失調電壓溫漂）VIO：輸入失調電壓的溫度漂移定義為在給定的溫度范圍內，輸入失調電壓的變化與溫度變化的比值。這個參數實際是輸

9、入失調電壓的補充，便于計算在給定的工作范圍內，放大電路由于溫度變化造成的漂移大小。一般運放的輸入失調電壓溫漂在±1020V/之間，精密運放的輸入失調電壓溫漂小于±1V/。輸入偏置電流IIB：輸入偏置電流定義為當運放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端的偏置電流平均值。輸入偏置電流對進行高阻信號放大、積分電路等對輸入阻抗有要求的地方有較大的影響。輸入偏置電流與制造工藝有一定關系，其中雙極型工藝（即上述的標準硅工藝）的輸入偏置電流在±10nA1A之間；采用場效應管做輸入級的，輸入偏置電流一般低于1nA。輸入失調電流IIO：輸入失調電流定義為當運放的輸出直流電壓為零時，其兩

10、輸入端偏置電流的差值。輸入失調電流同樣反映了運放內部的電路對稱性，對稱性越好，輸入失調電流越小。輸入失調電流是運放的一個十分重要的指標，特別是精密運放或是用于直流放大時。輸入失調電流大約是輸入偏置電流的百分之一到十分之一。輸入失調電流對于小信號精密放大或是直流放大有重要影響，特別是運放外部采用較大的電阻（例如10k?或更大時），輸入失調電流對精度的影響可能超過輸入失調電壓對精度的影響。輸入失調電流越小，直流放大時中間零點偏移越小，越容易處理。所以對于精密運放是一個極為重要的指標。 輸入失調電流的溫度漂移（簡稱輸入失調電流溫漂）：輸入偏置電流的溫度漂移定義為在給定的溫度范圍內，輸入失調電流的變化

11、與溫度變化的比值。這個參數實際是輸入失調電流的補充，便于計算在給定的工作范圍內，放大電路由于溫度變化造成的漂移大小。輸入失調電流溫漂一般只是在精密運放參數中給出，而且是在用以直流信號處理或是小信號處理時才需要關注。差模開環直流電壓增益：差模開環直流電壓增益定義為當運放工作于線性區時，運放輸出電壓與差模電壓輸入電壓的比值。由于差模開環直流電壓增益很大，大多數運放的差模開環直流電壓增益一般在數萬倍或更多，用數值直接表示不方便比較，所以一般采用分貝方式記錄和比較。一般運放的差模開環直流電壓增益在80120dB之間。實際運放的差模開環電壓增益是頻率的函數，為了便于比較，一般采用差模開環直流電壓增益。共

12、模抑制比：共模抑制比定義為當運放工作于線性區時，運放差模增益與共模增益的比值。共模抑制比是一個極為重要的指標，它能夠抑制差模輸入=模干擾信號。由于共模抑制比很大，大多數運放的共模抑制比一般在數萬倍或更多，用數值直接表示不方便比較，所以一般采用分貝方式記錄和比較。一般運放的共模抑制比在80120dB之間。電源電壓抑制比：電源電壓抑制比定義為當運放工作于線性區時，運放輸入失調電壓隨電源電壓的變化比值。電源電壓抑制比反映了電源變化對運放輸出的影響。目前電源電壓抑制比只能做到80dB左右。所以用作直流信號處理或是小信號處理模擬放大時，運放的電源需要作認真細致的處理。當然，共模抑制比高的運放，能夠補償一

13、部分電源電壓抑制比，另外在使用雙電源供電時，正負電源的電源電壓抑制比可能不相同。輸出峰-峰值電壓：輸出峰-峰值電壓定義為，當運放工作于線性區時，在指定的負載下，運放在當前大電源電壓供電時，運放能夠輸出的最大電壓幅度。除低壓運放外，一般運放的輸出輸出峰-峰值電壓大于±10V。一般運放的輸出峰-峰值電壓不能達到電源電壓，這是由于輸出級設計造成的，現代部分低壓運放的輸出級做了特殊處理，使得在10k?負載時，輸出峰-峰值電壓接近到電源電壓的50mV以內，所以稱為滿幅輸出運放，又稱為軌到軌（raid-to-raid）運放。需要注意的是，運放的輸出峰-峰值電壓與負載有關，負載不同，輸出峰-峰值電

14、壓也不同；運放的正負輸出電壓擺幅不一定相同。對于實際應用，輸出峰-峰值電壓越接近電源電壓越好，這樣可以簡化電源設計。但是現在的滿幅輸出運放只能工作在低壓，而且成本較高。最大共模輸入電壓：最大共模輸入電壓定義為，當運放工作于線性區時，在運放的共模抑制比特性顯著變壞時的共模輸入電壓。一般定義為當共模抑制比下降6dB是所對應的共模輸入電壓作為最大共模輸入電壓。最大共模輸入電壓限制了輸入信號中的最大共模輸入電壓范圍，在有干擾的情況下，需要在電路設計中注意這個問題。最大差模輸入電壓：最大差模輸入電壓定義為，運放兩輸入端允許加的最大輸入電壓差。當運放兩輸入端允許加的輸入電壓差超過最大差模輸入電壓時，可能造

15、成運放輸入級損壞。主要交流指標開環帶寬：開環帶寬定義為，將一個恒幅正弦小信號輸入到運放的輸入端，從運放的輸出端測得開環電壓增益從運放的直流增益下降3db（或是相當于運放的直流增益的0.707）所對應的信號頻率。這用于很小信號處理。單位增益帶寬GB：單位增益帶寬定義為，運放的閉環增益為1倍條件下，將一個恒幅正弦小信號輸入到運放的輸入端，從運放的輸出端測得閉環電壓增益下降3db（或是相當于運放輸入信號的0.707）所對應的信號頻率。單位增益帶寬是一個很重要的指標，對于正弦小信號放大時，單位增益帶寬等于輸入信號頻率與該頻率下的最大增益的乘積，換句話說，就是當知道要處理的信號頻率和信號需要的增以后，可

16、以計算出單位增益帶寬，用以選擇合適的運放。這用于小信號處理中運放選型。轉換速率（也稱為壓擺率）SR：運放轉換速率定義為，運放接成閉環條件下，將一個大信號（含階躍信號）輸入到運放的輸入端，從運放的輸出端測得運放的輸出上升速率。由于在轉換期間，運放的輸入級處于開關狀態，所以運放的反饋回路不起作用，也就是轉換速率與閉環增益無關。轉換速率對于大信號處理是一個很重要的指標，對于一般運放轉換速率SR<=10V/s，高速運放的轉換速率SR>10V/s。目前的高速運放最高轉換速率SR達到6000V/s。這用于大信號處理中運放選型。全功率帶寬BW：全功率帶寬定義為，在額定的負載時，運放的閉環增益為1

17、倍條件下，將一個恒幅正弦大信號輸入到運放的輸入端，使運放輸出幅度達到最大（允許一定失真）的信號頻率。這個頻率受到運放轉換速率的限制。近似地，全功率帶寬=轉換速率/2Vop（Vop是運放的峰值輸出幅度）。全功率帶寬是一個很重要的指標，用于大信號處理中運放選型。建立時間：建立時間定義為，在額定的負載時，運放的閉環增益為1倍條件下，將一個階躍大信號輸入到運放的輸入端，使運放輸出由0增加到某一給定值的所需要的時間。由于是階躍大信號輸入，輸出信號達到給定值后會出現一定抖動，這個抖動時間稱為穩定時間。穩定時間+上升時間=建立時間。對于不同的輸出精度，穩定時間有較大差別，精度越高，穩定時間越長。建立時間是一

18、個很重要的指標，用于大信號處理中運放選型。等效輸入噪聲電壓：等效輸入噪聲電壓定義為，屏蔽良好、無信號輸入的的運放，在其輸出端產生的任何交流無規則的干擾電壓。這個噪聲電壓折算到運放輸入端時，就稱為運放輸入噪聲電壓（有時也用噪聲電流表示）。對于寬帶噪聲，普通運放的輸入噪聲電壓有效值約1020V。差模輸入阻抗（也稱為輸入阻抗）：差模輸入阻抗定義為，運放工作在線性區時，兩輸入端的電壓變化量與對應的輸入端電流變化量的比值。差模輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容，在低頻時僅指輸入電阻。一般產品也僅僅給出輸入電阻。采用雙極型晶體管做輸入級的運放的輸入電阻不大于10兆歐；場效應管做輸入級的運放的輸入電阻一般大于1

19、09歐。共模輸入阻抗：共模輸入阻抗定義為，運放工作在輸入信號時（即運放兩輸入端輸入同一個信號），共模輸入電壓的變化量與對應的輸入電流變化量之比。在低頻情況下，它表現為共模電阻。通常，運放的共模輸入阻抗比差模輸入阻抗高很多，典型值在108歐以上。輸出阻抗：輸出阻抗定義為，運放工作在線性區時，在運放的輸出端加信號電壓，這個電壓變化量與對應的電流變化量的比值。在低頻時僅指運放的輸出電阻。這個參數在開環測試。集成運算放大器的使用技術集成運算放大器與外部電阻、電容、半導體器件等構成閉環電路后，能對各種模擬信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數、反對數、乘法和除法等運算。運算放大器工作在線性區時，通常

20、要引入深度負反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關系基本決定于反饋電路和輸入電路的結構和參數，而與運算放大器本身的參數關系不大。改變輸入電路和反饋電路的結構形式，就可以實現不同的運算。為了便于分析集成運放的線性應用，我們還需要建立“虛短”與“虛斷”這兩個概念。(1)由于集成運放的差模開環輸入電阻Rid，輸入偏置電流IB0，不向外部索取電流，因此兩輸入端電流為零。即Ii-=Ii+=0，這就是說，集成運放工作在線性區時，兩輸入端均無電流，稱為“虛斷”。(2)由于兩輸入端無電流，則兩輸入端電位相同，即U-=U+。由此可見，集成運放工作在線性區時，兩輸入端電位相等，稱為“虛短”。虛短和虛斷是分析集成運

21、算放大器的重要的方法。需要說明的是虛斷是實質的，虛短是派生的。 理想運放各項技術指標具體如下：1開環差模電壓放大倍數Aod = ；2輸入電阻Rid = ；輸出電阻Rod =03輸入偏置電流IB1=IB2=0 ；4失調電壓UIO 、失調電流IIO 、失調電壓溫漂dUio/dT、失調電流溫漂dIio/dT均為零；5共模抑制比CMRR = ；6-3dB帶寬fH = ；7無內部干擾和噪聲。實際運放的參數達到如下水平即可以按理想運放對待：電壓放大倍數達到104105倍；輸入電阻達到105；輸出電阻小于幾百歐姆； 外電路中的電流遠大于偏置電流；失調電壓、失調電流及其溫漂很小，造成電路的漂移在允許范圍之內，

22、電路的穩定性符合要求即可；輸入最小信號時，有一定信噪比，共模抑制比大于等于60dB；帶寬符合電路帶寬要求即可。這也是經驗的問題，也就是說實際的電路滿足該條件，大致可以作為理想運算放大器來分析和計算。由于集成運放的開環差模電壓放大倍數很大(Aud)，而開環電壓放大倍數受溫度的影響，很不穩定。采用深度負反饋可以提高其穩定性，此外運放的開環頻帶窄，例如F007只有7Hz，無法適應交流信號的放大要求，加負反饋后可將頻帶擴展(1+AF)倍。另外負反饋還可以改變輸入、輸出電阻等。所以要使集成運放工作在線性區，采用負反饋是必要條件。運算放大器常用的電路（1）同相放大電路圖2.3.1 同相輸入電路電壓串聯負反

23、饋放大電路 vi=vp=vn，Rfvi，vo=(R1+Rf)if=(1+if=i1=)vi R1R1Ri，Ro0 特點：vi=vp=vn，運放存在共模輸入信號，要求運放有較高的共模抑制比。 特殊應用：電壓跟隨器 反相放大電路圖2.3.2 反相放大電路電壓并聯負反饋放大電路。 vp=vn=0虛地，if=i1=Rfvi，vo=-Rfif=-vi R1R1Ri=R1，Ro0特點：vp=vn=0，運放兩個輸入端沒有共模輸入信號，對運放的共模抑制比沒有特殊要求。通常這種情況下，接得正向或者負向端的接地電阻的作用一般是阻抗匹配，或者是調節的作用，虛地是客觀存在的。求差電路圖2.4.1 差分式求差電路1.差

24、分式減法電路vo=(1+R4R)R3vRi2-4vi1 1R2+R3R1若取R3R4R=， vRo=4(vi2-vi1)2R1R12反相求和式減法電路vo1=-Rf1Rvi1，若Rf1=R1，則vo1=vi11vRf2RvRf2o=-(vo1+i2)=2R(vi1-vi2)2儀用放大器求和電路圖2.4.2 反相求和式減法電路圖2.4.3 反相加法電路vo=-(R3Rvi2+3vi1) R2R1積分和微分電路 積分電路圖2.4.4 積分電路i=vI1v1vIdt ，vo=-vc=-I=-RCRRC假設輸入信號vI是階躍信號，且電容初始電壓為零，則vo=-VIt RC輸出電壓與時間成線性關系。vo

25、達到運放輸出電壓最大值Vom，運放進入飽和狀態，vo保持不變。積分誤差：集成運放VIOIIBIIO，可選用輸入級為FET的BiFET運放。積分電容器的漏電流，可選用泄漏電阻大的電容器，如薄膜電容、聚苯乙烯電容器。積分器可用作顯示器的掃描電路或將方波轉換為三角波等。2. 微分電路圖2.4.5 微分電路vo=-iR=-RCdvI dt輸入電壓為階躍信號時，考慮到信號源總存在內阻，在t=0時，輸出電壓仍為一個有限值。隨著電容器的充電，輸出電壓將逐漸地衰減，最后趨近于零。當輸入電壓為vi=sint時，則輸出電壓vo=-RCcost。輸出幅度將隨頻率的增加而線性地增加。說明微分電路對高頻噪聲特別敏感，故

26、它的抗干擾能力差。改進型的微分電路：R1起限流作用，R2和C2并聯起相位補償作用。應用：自動控制系統PID調節器。對數和指數電路對數運算電路圖2.5.1 對數運算電路利用半導體PN結伏安特性，可以實現對數運算。常將BJT的集電極與基極短路，接成二極管形式，則在很寬范圍-9-3i=1010A）C（，iC與vBE有較精確的對數關系。i=vi=iCRiCiE=IES(evBE/VT-1)IESevBE/VTvo=-vBE=-VTlnvi+VTlnIESR輸出電壓幅度不能超過0.7V，且vi>0，以保證晶體管處于導通狀態。 指數運算電路圖2.5.2 指數運算電路vi=vBEiE=IES(evBE/VT-1)IESevBE/VTvo=-iR=-iER=-RIESevi/VTvi>0。為