運算放大器(簡稱“運放”)是模擬電路領域常用的電子元器件之一，屬于有源元件，具有多個端鈕，可以實現(xiàn)對信號的加減乘除、比例運算、微分和積分等計算，也可以用來處理電信號，如比較和選擇信號的幅度。如今運算放大器憑借其優(yōu)點廣泛應用于自動控制系統(tǒng)、各種測量裝置中，對電子科技的發(fā)展有著重要的意義。
一、運算放大器的工作原理
運算放大器有三個端口，其中有兩個輸入端口，分別為“+”和“-”，一個輸出端口。當輸入信號從“-”端口輸入放大器時，輸出端的輸出信號與輸入信號反相；反之，當輸入信號從“+”端口輸入放大器時，輸出端的輸出信號與輸入信號同相；當兩個輸入端口同時輸入信號時，運算放大器實現(xiàn)減數(shù)運算，輸出信號與較大的一方同相。所以說，運算放大器基本上可以說是一個電壓放大器。一個理想的運算放大器必須具備下列特性：無限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬?；镜倪\算放大器電路如下圖所示：
通常使用運算放大器時，會將其輸出端與其反相輸入端(inverting input node)連接，形成一負反饋(negative feedback)狀態(tài)。原因是運算放大器的電壓增益非常大，范圍從數(shù)百至數(shù)萬倍不等，使用負反饋方可保證電路的穩(wěn)定運作。但是這并不代表運算放大器不能連接成正回饋(positive feedback)，相反地，在很多需要產生震蕩訊號的系統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運算放大器是很常見的組成元件。
二、運算放大器的常用電路
1、閉環(huán)負反饋
將運算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來，放大器電路就處在負反饋組態(tài)的狀況，此時通常可以將電路簡單地稱為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號進入放大器的端點，又可分為反相(inverting)放大器與非反相(non-inverting)放大器兩種。
反相閉環(huán)放大器如圖3。假設這個閉環(huán)放大器使用理想的運算放大器，則因為其開環(huán)增益為無限大，所以運算放大器的兩輸入端為虛接地(virtual ground)，其輸出與輸入電壓的關系式為Vout=-(Rf/Rin)*Vin。
非反相閉環(huán)放大器如下圖。假設這個閉環(huán)放大器使用理想的運算放大器，則因為其開環(huán)增益為無限大，所以運算放大器的兩輸入端電壓差幾乎為零，其輸出與輸入電壓的關系式為Vout = ((R2/R1)+1)* Vin。
2、閉環(huán)正回饋
將運算放大器的正向輸入端與輸出端連接起來，放大器電路就處在正回饋的狀況，由于正回饋組態(tài)工作于一極不穩(wěn)定的狀態(tài)，多應用于需要產生震蕩訊號的應用中。
3、開環(huán)電路
開環(huán)回路運算放大器如下圖。當一個理想運算放大器采用開回路的方式工作時，其輸出與輸入電壓的關系式為Vout=(V+-V-)*Aog。
其中Aog代表運算放大器的開環(huán)回路差動增益(open-loop differential gai)由于運算放大器的開環(huán)回路增益非常高，因此就算輸入端的差動訊號很小，仍然會讓輸出訊號「飽和」(saturation)，導致非線性的失真出現(xiàn)。因此運算放大器很少以開環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中，少數(shù)的例外是用運算放大器做比較器(comparator)，比較器的輸出通常為邏輯準位元的「0」與「1」。
三、運算放大器的電氣參數(shù)解讀
1、輸入端
①輸入失調電壓 Vos
輸入失調電壓定義為集成運算放大器輸出端電壓為零時，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，特別是高精度運算放大器或是用于直流放大時。運放的輸入失調電壓來源于運放差分輸入級兩個管子的不匹配，因為受工藝水平的限制，這個不匹配是不可避免的，所以為了使運放的輸出電壓等于0，必需在運放兩個輸入端加一個小的電壓以達到平衡，而這個需要加的小電壓即為輸入失調電壓 Vos。
②輸入失調電壓的溫度漂移
輸入失調電壓的溫度漂移簡稱輸入失調電壓溫漂，是指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(shù)實際是輸入失調電壓的補充，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 ±10~20μV/℃之間，高精度運算放大器的輸入失調電壓溫漂小于 ±1μV/℃。
③輸入偏置電流Ib
輸入偏置電流Ib，是指第一級放大器輸入晶體管的基極直流電流，同時也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 ±10nA~1μA之間；采用場效應管做輸入級的，輸入偏置電流一般低于1nA。
④輸入偏置電流的溫度漂移
輸入偏置電流的溫度漂移簡稱輸入偏置電流溫漂，跟輸入失調電壓溫漂一樣，因為溫度的影響造成電流大小漂移。運放的輸入偏置電流會隨著溫度的變化而變化，如下圖所示，輸入偏置電流會在高于 25度時快速的升高。在 100度時的輸入偏置電流是 25度時的幾百倍。如果設計的系統(tǒng)是在很寬的溫度范圍內工作，這一因素不得不考慮。
⑤輸入失調電流Ios
輸入失調電流Ios是指兩個差分輸入端偏置電流的誤差。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。由于工藝上很難做到兩個管子的完全匹配，所以這兩個管子Q1和Q2的基極電流總是有這么點差別（如下圖），也就是輸入的失調電流。
關于輸入失調電流與輸入偏置電流的區(qū)分。
輸入失調電流與輸入失調電壓一樣，都是描述運放差分輸入的對稱性的。理想的差分輸入應該是完全對稱的，但由于設計和工藝過程的偏差，正負兩個輸入端的特性不會完全相同。這兩個失調參數(shù)的定義是，當輸出為0時兩個輸入端的輸入電壓差(失調電壓)和輸入電流---即偏置電流的差(失調電流),，顯然在理想狀態(tài)下它們都應該為0。
為了使運放輸入級放大器工作在線性區(qū)，所必須輸入的一個直流電流，就是輸入偏置電流。在雙極晶體管輸入的運放，偏置電流就是輸入管的基極電流,，在MOS管輸入的運放是指柵極漏電流。
輸入失調電流=|IB1-IB2|
輸入偏置電流=1/2（IB1+IB2） IB1、IB2為輸入級差放管的輸入偏置電流
⑥共模輸入電壓Vcm
共模輸入電壓Vcm，是指運放正常工作時輸入電壓的范圍，如輸入電壓過高或者過低，會造成運放電路不同的MOS管進入線性區(qū)，從而使電路不能正常的工作。其中，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。
⑦差模輸入阻抗
差模輸入阻抗是指運放工作在線性區(qū)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。
⑧共模輸入阻抗
共模輸入阻抗是指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(xiàn)為共模電阻。
2、輸出端
①輸出電壓擺幅（Output Voltage Swing）
輸出電壓擺幅是指當運放工作于線性區(qū)時，在特定負載條件下，輸出的最大值和最小值之差，是輸出能力的一種指標；簡單的理解就是輸出電壓的范圍。除低壓運放外，一般運放的輸出電壓擺幅大于±10V。對于一般運放的輸出電壓擺幅是不能達到電源電壓，這是由于輸出級設計造成的；但是現(xiàn)代的部分低壓運放的輸出級都做了特殊處理，使得在10kR負載時，輸出電壓擺幅接近到電源電壓的50mV以內，所以稱為滿幅輸出運放，又稱為軌到軌（raid-to-raid）運放。
軌到軌（Rail to Rail），是指器件的輸入輸出電壓范圍可以達到電源電壓。但是不是所有的rail to rail 運放輸入和輸出都接近電源，有的只是輸入，有的只是輸出，當然也有的輸入輸出都是rail to rail 的。該類運放的最大特點就是可以擴展信號的電壓范圍，但一般輸出電流較小，在大電流的情況下并不能保證rail to rail。
需要注意的是，運放的輸出電壓擺幅與負載有關，負載不同，輸出電壓擺幅也不同；運放的正負輸出電壓擺幅不一定相同。對于實際應用，輸出電壓擺幅越接近電源電壓越好，這樣可以簡化電源設計。但是現(xiàn)在的滿幅輸出運放只能工作在低壓，而且成本較高。
②共模抑制比
共模抑制比是指放大電路對差模信號的電壓增益與對共模信號的電壓增益之比的絕對值。共模抑制比是一個極為重要的指標，它能夠抑制差模輸入中的共模干擾信號；因為我們要抑制零漂所以共模電壓增益越小越好，而差模電壓增益越大越好，所以希望 CMRR越大越好，CMRR越大，放大電路的性能越優(yōu)良。由于共模抑制比很大，大多數(shù)運放的共模抑制比一般在數(shù)萬倍或更多，用數(shù)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 80~120dB之間。
③開環(huán)增益Aol
在不具負反饋情況下(開環(huán)路狀況下)，運算放大器的放大倍數(shù)稱為開環(huán)增益，記作Aol，有的 datasheet上寫成：Large Signal Voltage Gain。Aol的理想值為無限大，一般約為數(shù)千倍至數(shù)萬倍，其表示法有使用 dB及 V/mV等。
④增益帶寬
增益帶寬積（GBW）是放大器帶寬和帶寬增益的乘積。這項參數(shù)主要是針對運算放大器，它可以讓電路設計人員通過指定的器件頻率（或頻帶）來確定其最大增益，反過來也同樣適用。
單位增益帶寬是指，運放的閉環(huán)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(huán)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。這項參數(shù)用于小信號處理的運放選型。
一般運放的都是用增益帶寬積GBW來表征其處理交流信號的能力，是一個常數(shù)。單位增益帶寬是指在運放電路閉環(huán)增益為0db時的帶寬。
⑤壓擺率SR（轉換速率）
壓擺率又稱作轉換速率，是與運放的增益帶寬積（GBW）同等重要的一個參數(shù)；可以理解為，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輸出信號的最大變化速度；反映的是一個運算放大器在速度方面的指標，表示運放對信號變化速度的適應能力，是衡量運放在大幅度信號作用時工作速度的參數(shù)。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/μs，高速運算放大器的轉換速率 SR>10V/μs。目前的高速運放最高轉換速率 SR達到 6000V/μs。這項參數(shù)用于大信號處理的運放選型。
以上就是關于運算放大器的基本原理和參數(shù)解讀，希望能給各位客戶朋友帶來幫助。
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