什麼是運算放大器?

2020-11-30 EDN電子設計技術

許多教材和參考指南將運算放大器（運放）定義為可以執行各種功能或操作（如放大、加法和減法）的專用集成電路（IC）。雖然我同意這個定義，但仍需注重晶片的輸入引腳的電壓。wDMednc

當輸入電壓相等時，運算放大器通常在線性範圍內工作，而運算放大器正是在線性範圍內準確地執行上述功能。然而，運算放大器只能改變一個條件來使輸入電壓相等，即輸出電壓。因此，運算放大器的輸出通常以某種方式連接到輸入，這種通常被稱為電壓反饋。wDMednc

在本文中，我將解釋一個通用電壓反饋運算放大器的基本操作，並請您參閱其他內容以了解更多信息。wDMednc

圖1描述了運算放大器的標準示意圖符號。有兩個輸入端（IN+, IN-）、一個輸出端（OUT）和兩個電源端（V+, V-）。這些端的名稱可能因製造商而異，甚至單個製造商也可能使用不同的名稱，但它們仍然是相同的五個端。wDMednc

例如，您可能會看到Vcc或Vdd而不是V+。又或者，您可能會看到Vee或Vss而不是V-。電源端子的其他標籤會有所不同，因為它們指的是器件內部的電晶體類型。例如，當在運算放大器內部使用雙極結型電晶體（BJT）時，電源對應於BJT的集電極和發射極：Vcc和Vee。在運算放大器內部使用場效應電晶體（FET）時，電源標籤與FET的漏極和源極相對應：Vdd和Vss。如今，許多運算放大器同時包含BJT和FET，因此V+和V-是常見的標籤，與器件內部的電晶體無關。簡言之，不要太在意引腳標籤，只要理解它們的作用即可。wDMednc

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圖1：通用型運算放大器示意圖符號wDMednc

等式1表示運算放大器的傳遞函數：wDMednc

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(1)wDMednc

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在等式1中，AOL被稱為「開環增益」。在現代運算放大器中，它通常是一個非常大的值（120 dB或1,000,000 V/V）。例如，如果IN+和IN-之間的電壓差僅為1mV，運算放大器將嘗試輸出1000V！在這種配置中，運算放大器不在線性區域內工作，因為輸出不能使輸入彼此相等（記住，理想情況下In+等於In-）。因此，運算放大器需要一種方法來控制開環增益，即通過負反饋來實現。wDMednc

圖2描述了作為反饋控制系統一部分的運算放大器。您會注意到輸出OUT通過一個標記為ß的塊反饋到負輸入IN-。ß被稱為反饋因子，通常使用電阻來降低輸出電壓。wDMednc

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圖2：負反饋運算放大器wDMednc

圖3比較了開環運算放大器和負反饋運算放大器。這些TINA-TI™軟體仿真電路採用的運放是近乎理想的運放，加了電源來限制輸出電壓。注意，對於左側的開環配置，輸出幾乎等於正電源（V+）。這是因為輸入引腳之間有一個很小的差異（100mV）。這種小電壓被開環增益放大，開環增益會強制輸出到其中一個電源電壓。在圖3右側的負反饋或閉環電路中，運算放大器輸出上的分壓器需要200 mV的輸出電壓，以便使反相和同相輸入相等。wDMednc

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圖3：開環（左）與負反饋（右）wDMednc

輸入電壓的放大稱為增益。它是反饋迴路中電阻值的函數。等式2描述了圖3中右邊電路的增益方程，這就是所謂的同相放大器。您將看到計算出的輸出電壓與仿真相符。wDMednc

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(2)wDMednc

運算放大器的輸出受到電源電壓的限制。圖4是圖3中同相放大器的輸出電壓與輸入電壓的關係圖。注意當輸出接近正負電源時，輸出由於飽和受限。wDMednc

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圖4：同相放大器電路的輸出與輸入電壓wDMednc

由於這個限制，在圖5中可以看到，隨著輸出接近電源，輸入引腳之間的電壓差Vdiff增加。只有當輸入幾乎相等時，運算放大器才在線性區域工作。wDMednc

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圖5：同相放大器電路的Vdiff和IN+wDMednc

為了更深入地了解運算放大器，請查看我們的模擬課程TI高精度實驗室。本課程將深入探討運算放大器，並討論輸入失調電壓（Vos）、輸入偏置電流（IB）和輸入/輸出限制等基本非理想因素。還有一些高級主題講座，如運算放大器帶寬（BW）、壓擺率（SR）、噪聲、共模抑制比（CMRR）、電源抑制比（PSRR）和穩定性。除了講座之外，有些主題還包括動手實驗。為了進行這些實驗，您需要相應的運算放大器評估模塊。wDMednc

如果您喜歡DIY一些電路，那麼可能會對通用DIY放大器電路評估模塊（用於單通道運放）、雙通道通用DIY放大器電路評估（用於雙通道運放）或DIP封裝轉換評估模塊（可與標準的打樣板或電路試驗板一起使用）感興趣。DIY-EVMs支持不同封裝的運放，並具有許多標準運算放大器電路，如本文所述的同相放大器、反相放大器、緩衝器和濾波器（包括Sallen-Key和多反饋）。由於雙列直插式封裝（DIP）轉換EVM可以將許多標準的表面貼裝封裝轉換為DIP，以便與電路試驗板一起使用，因此您可以評估任何配置的放大器。wDMednc

這就是運算放大器的基本原理：只有當輸入引腳的電壓相等時，運算放大器才是線性的。然而，為了實現這一點，運算放大器只能調整其輸出電壓。輸出擺幅限制會導致輸入電壓差增大，從而導致非線性。wDMednc

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