什么是运算放大器
运算放大器是具有很高开环电压增益的直接耦合集成放大电路,用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换和自动控制等领域。
集成运算放大器的组成
输入级:一般用输入阻抗大的差动(差分)放大电路
输出级:一般用输出阻抗小,带负载能力强的射极跟随器或互补对称功率放大器
运算放大器的电路符号
运算放大器的电路符号
通常认为理想运放的电压增益为∞,而实际上能达到百万级。
运算放大器的主要参数
最大输出电压Uop-p
开环电压增益Au
共模抑制比KCMRR(Common Mode Rejection Ratio):差模电压放大倍数和共模电压放大倍数之比的绝对值,说明差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力
输入失调电压(VOS):输入电压为0时,输出不为0,这时需要将输出调为0,这个调节电压称为输入调节电压
输入失调电流(IOS):指流入两个输入端的电流之差
输入偏置电流(IB):指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流
输入失调电压温漂(TCVOS):指温度变化引起的输入失调电压的变化,通常以µV/°C为单位表示
输入失调电流温漂(TCIOS):指代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。TCIOS通常以pA/°C为单位表示
单位增益带宽(BW):指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率
增益带宽积(GBW)增益带宽积AOL ƒ是一个常量,定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。
电源抑制比PSRR):衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力,PSRR通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示
输入电容(CIN):表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容(另一输入端接地)
差模输入电阻(RIN):指输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比,电压的变化导致电流的变化。在一个输入端测量时,另一输入端接固定的共模电压
转换速率/压摆率(SR):指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR通常以V/µs为单位表示,有时也分别表示成正向变化和负向变化
输出阻抗(ZO):指运算放大器工作在线性区时,输出端的内部等效小信号阻抗
输出电压摆幅(VO):指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值,VO一般定义在特定的负载电阻和电源电压下
输入电压范围(VIN):指运算放大器正常工作(可获得预期结果)时,所允许的输入电压的范围,VIN通常定义在指定的电源电压下
共模输入电阻(RINCM):表示运算放大器工作在线性区时,输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比
直流共模抑制(CMRDC):用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力
交流共模抑制(CMRAC)CMRAC:用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力,是差模开环增益除以共模开环增益的函数
理想运算放大器
在分析运算放大器电路时,通常把运算放大器看成理想运放,理想运算放大器具有以下特点:
1.开环电压放大倍数Au趋于∞
2.开环输入电阻ri趋于∞
3.开环输出电阻ro为0
4.共模抑制比KCMRR趋于∞
运算放大器的传输特性
运放输出电压和输入电压之间的关系曲线称为传输特性曲线
实际运放的传输特性曲线
例,若Au = 10^6, uo(sat)=±15V,此时输入信号的电压范围必须在uimax=±0.015mV之间
理想运放传输特性曲线
理想运放的传输特性曲线
理想运放的增益Au趋于∞,所以,当
u+ > u-时, uo = +uo(sat);
u+ < u-时,uo = -uo(sat);
u+ = u-时,uo发生跃变。
运算放大器电路的线性放大区的分析方法
运放工作在线性放大区的依据是“虚短路”和“虚断路”同时成立。
虚短路
从电压角度,由于运放的电压增益Au趋于∞,而uo是有限值,所以根据下面的式子
uo = Au(u+ – u-), 可知(u+ – u-) = uo/Au ≈ 0,相当于两输入端之间短路,但实际并未真正短路,所以称“虚短路”
虚断路
从电流角度,以为运放开环电阻ri趋于∞,相当于两输入端之间断路,但实际并不是真正的断路,所以称“虚断路”
注意:实际的运放工作在饱和区时,即u+大于u-或u+ 小于u-,虚短路不再成立,但需断路依然成立