史上最全運放運算放大器知識講解

原標題：史上最全運放運算放大器知識講解

調節和放大模擬信號，它是用途十分廣泛的器件，接入適當的反饋網絡，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器濾波器的供應商、振蕩器振蕩器的供應商及電壓比較器比較器 的供應商。其應用領域已經延伸到汽車電子、通信、消費等各個領域，並將在未來技術方面扮演重要角色。

運算放大器的分類

運算放大器按參數可分為如下幾類：

通用型運算放大器：主要特點是價格低廉、產品量大面廣,其性能指標能適合於一般性使用。

低溫漂型運算放大器：在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中,總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。

高阻型運算放大器：特點是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid＞1GΩ~1TΩ,IB為幾皮安到幾十皮安。

高速型運算放大器：主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。

低功耗型運算放大器：由於電子電路集成化的最大優點是能使複雜電路小型輕便,所以隨著可攜式儀器應用範圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。

高壓大功率型運算放大器：運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。

可編程控制運算放大器：在儀器儀表得使用過程中都會涉及到量程得問題.為了得到固定電壓得輸出,就必須改變運算放大器得放大倍數。

運算放大器的工作原理

運算放大器具有兩個輸入端和一個輸出端，如圖1-1所示，其中標有「+」號的輸入端為「同相輸入端」而不能叫做正端)，另一隻標有「一」號的輸入端為「反相輸入端」同樣也不能叫做負端，如果先後分別從這兩個輸入端輸入同樣的信號，則在輸出端會得到電壓相同但極性相反的輸出信號：輸出端輸出的信號與同相輸人端的信號同相，而與反相輸入端的信號反相。

運算放大器所接的電源可以是單電源的，也可以是雙電源的，如圖1-2所示。運算放大器有一些非常有意思的特性，靈活應用這些特性可以獲得很多獨特的用途，總的來說，這些特性可以綜合為兩條：

1、運算放大器的放大倍數為無窮大。

2、運算放大器的輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零。

現在我們來簡單地看看由於上面的兩個特性可以得到一些什麼樣的結論。

首先，運算放大器的放大倍數為無窮大，所以只要它的輸入端的輸入電壓不為零，輸出端就會有與正的或負的電源一樣高的輸出電壓本來應該是無窮高的輸出電壓，但受到電源電壓的限制。準確地說，如果同相輸入端輸入的電壓比反相輸入端輸入的電壓高，哪怕只高極小的一點，運算放大器的輸出端就會輸出一個與正電源電壓相同的電壓;反之，如果反相輸入端輸入的電壓比同相輸人端輸入的電壓高，運算放大器的輸出端就會輸出一個與負電源電壓相同的電壓(如果運算放大器用的是單電源，則輸出電壓為零)。

其次，由於放大倍數為無窮大，所以不能將運算放大器直接用來做放大器用，必須要將輸出的信號反饋到反相輸入端(稱為負反饋)來降低它的放大倍數。如圖1-3中左圖所示，R1的作用就是將輸出的信號返回到運算放大器的反相輸入端，由於反相輸入端與輸出的電壓是相反的，所以會減小電路的放大倍數，是一個負反饋電路，電阻Rf也叫做負反饋電阻。

還有，由於運算放大器的輸入為無窮大，所以運算放大器的輸入端是沒有電流輸入的——它只接受電壓。同樣，如果我們想像在運算放大器的同相輸入端與反相輸入端之間是一隻無窮大的電阻，那麼加在這個電阻兩端的電壓是不能形成電流的，沒有電流，根據歐姆定律，電阻兩端就不會有電壓，所以我們又可以認為在運算放大器的兩個輸人端電壓是相同的(電壓在這種情況就有點像用導線將兩個輸入端短路，所以我們又將這種現象叫做「虛短」)。

常用運算放大器電路

1、InverterAmp.反相位放大電路:

放大倍數為Av=R2/R1但是需考慮規格之Gain-Bandwidth數值。

R3=R4提供1/2電源偏壓

C3為電源去耦合濾波

C1,C2輸入及輸出端隔直流

此時輸出端信號相位與輸入端相反

2、Non-inverterAmp.同相位放大電路:

放大倍數為Av=R2/R1

R3=R4提供1/2電源偏壓

C1,C2,C3為隔直流

此時輸出端信號相位與輸入端相同

3、Voltagefollower緩衝放大電路:

O/P輸出端電位與I/P輸入端電位相同

單雙電源皆可工作

4、Comparator比較器電路:

I/P電壓高於Ref時O/P輸出端為Logic低電位

I/P電壓低於Ref時O/P輸出端為Logic高電位

R2=100*R1用以消除Hysteresis狀態,即為強化O/P輸出端,Logic高低電位差距，以提高比較器的靈敏度.(R1=10K,R2=1M)

單雙電源皆可工作

5、Square-waveoscillator方塊波震蕩電路:

R2=R3=R4=100K

R1=100K,C1=0.01uF

Freq=1/（2π*R1*C1）

6、Pulsegenerator脈波產生器電路:

R2=R3=R4=100K

R1=30K,C1=0.01uF,R5=150K

O/P輸出端OnCycle=1/（2π*R5*C1）

O/P輸出端OffCycle=1/（2π*R1*C1）

7、Activelow-passfilter主動低通濾波器電路:

R1=R2=16K

R3=R4=100K

C1=C2=0.01uF

放大倍數Av=R4/(R3+R4)

Freq=1KHz

8、Activeband-passfilter主動帶通濾波器電路:

R7=R8=100K,C3=10uF

R1=R2=390K,C1=C2=0.01uF

R3=620,R4=620K

Freq=1KHz,Q=25

9、High-passfilter高通濾波器電路:

C1=2*C2=0.02uF,C2=0.01uF

R1=R2=110K

6dBLow-cutFreq=100Hz

10、Adj.Q-notchfilter頻寬可調型濾波器電路:

R1=R2=2*R3

C1=C2=C3/2

Freq=1/（2π*R1*C1)

VR1調整負回授量,越大則Q值越低。（表示頻帶變寬，但是衰減值相對減少。）

R1,R2,R3,C1,C2,C3為Twin-Tfilter結構。

11、Wien-bridgeSine-waveOscillator文橋正弦波震蕩電路:

R1=R2,C1=C2

R3與D1,D2Zener產生定點壓負回授

Freq=1/（2π*R1*C1)

D1與D2可使用Lamp效果更佳（產生阻抗負變化係數）

12、Peakdetector峰值檢知器電路:(範例均為正峰值檢知)

本電路僅提供思維參考用(右方電路具放大功能)

Eo=Ei*(R4+R3)/R3

S1為連續取樣開關，因應峰值不斷的變化。

13、Positive-peakdetector正峰值檢知器電路:

R1=1K,R2=1M,C1=10uF

只有在I/P電位高於OP-端電位時,才能使Q1導通,O/P電位繼續升高.

正峰值必須低於電源正值，所得數據為最高值。

14、Negative-peakdetector負峰值檢知器電路:

R1=1M,C1=10uF

只有在I/P電位低於OP-端電位時,O/P電位繼續降低.

負峰值必須高於電源負值，所得數據為最高值。

15、RMS(Absolutevalue)detector絕對值檢知器電路:

不論I/P端極性為何,皆可由O/P端輸出,若後端再接上正峰值檢知器電路,即可取得RMS數值.

經典運放電路分析

從虛斷，虛短分析基本運放電路

運算放大器組成的電路五花八門，令人眼花瞭亂，是模擬電路中學習的重點。在分析它的工作原理時倘沒有抓住核心，往往令人頭大。為此本人特搜羅天下運放電路之應用，來個「庖丁解牛」，希望各位看完後有所斬獲。

遍觀所有模擬電子技朮的書籍和課程，在介紹運算放大器電路的時候，無非是先給電路來個定性，比如這是一個同向放大器，然後去推導它的輸出與輸入的關係，然後得出Vo=(1+Rf)Vi，那是一個反向放大器，然後得出Vo=-Rf*Vi……最後學生往往得出這樣一個印象：記住公式就可以了！如果我們將電路稍稍變換一下，他們就找不著北了！

今天，教各位戰無不勝的兩招，這兩招在所有運放電路的教材裡都寫得明白，就是「虛短」和「虛斷」，不過要把它運用得出神入化，就要有較深厚的功底了。

虛短和虛斷的概念

由於運放的電壓放大倍數很大，一般通用型運算放大器的開環電壓放大倍數都在80dB以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在10V～14V。因此運放的差模輸入電壓不足1mV，兩輸入端近似等電位，相當於「短路」。開環電壓放大倍數越大，兩輸入端的電位越接近相等。

「虛短」是指在分析運算放大器處於線性狀態時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。

由於運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算放大器的輸入電阻都在1MΩ以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足1uA，遠小於輸入端外電路的電流。故通常可把運放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路。「虛斷」是指在分析運放處於線性狀態時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。

在分析運放電路工作原理時，首先請各位暫時忘掉什麼同向放大、反向放大，什麼加法器、減法器，什麼差動輸入……暫時忘掉那些輸入輸出關係的公式……這些東東只會干擾你，讓你更糊塗﹔也請各位暫時不要理會輸入偏置電流、共模抑制比、失調電壓等電路參數，這是設計者要考慮的事情。我們理解的就是理想放大器（其實在維修中和大多數設計過程中，把實際放大器當做理想放大器來分析也不會有問題）。

好了，讓我們抓過兩把「板斧」------「虛短」和「虛斷」，開始「庖丁解牛」了。

1）反向放大器：

圖一運放的同向端接地=0V，反向端和同向端虛短，所以也是0V，反向輸入端輸入電阻很高，虛斷，幾乎沒有電流注入和流出，那麼R1和R2相當於是串聯的，流過一個串聯電路中的每一隻組件的電流是相同的，即流過R1的電流和流過R2的電流是相同的。

流過R1的電流：I1=(Vi-V-)/R1………a

流過R2的電流：I2=(V--Vout)/R2……b

V-=V+=0………………c

I1=I2……………………d

求解上面的初中代數方程得Vout=(-R2/R1)*Vi

這就是傳說中的反向放大器的輸入輸出關係式了。

2）同向放大器

圖二中Vi與V-虛短，則Vi=V-……a

因為虛斷，反向輸入端沒有電流輸入輸出，通過R1和R2的電流相等，設此電流為I，由歐姆定律得：I=Vout/(R1+R2)……b

Vi等於R2上的分壓，即：Vi=I*R2……c

由abc式得Vout=Vi*(R1+R2)/R2這就是傳說中的同向放大器的公式了。

3）加法器1：

圖三中，由虛短知：V-=V+=0……a

由虛斷及基爾霍夫定律知，通過R2與R1的電流之和等於通過R3的電流，故(V1–V-)/R1+(V2–V-)/R2=(V-–Vout)/R3……b

代入a式，b式變為V1/R1+V2/R2=Vout/R3如果取R1=R2=R3，則上式變為-Vout=V1+V2，這就是傳說中的加法器了。

4）加法器2：

請看圖四。因為虛斷，運放同向端沒有電流流過，則流過R1和R2的電流相等，同理流過R4和R3的電流也相等。

故(V1–V+)/R1=(V+-V2)/R2……a

(Vout–V-)/R3=V-/R4……b

由虛短知：V+=V-……c如果R1=R2，R3=R4，則由以上式子可以推導出V+=(V1+V2)/2V-=Vout/2故Vout=V1+V2也是一個加法器，呵呵！

5）減法器

圖五由虛斷知，通過R1的電流等於通過R2的電流，同理通過R4的電流等於R3的電流，故有(V2–V+)/R1=V+/R2……a

(V1–V-)/R4=(V--Vout)/R3……b

如果R1=R2，則V+=V2/2……c

如果R3=R4，則V-=(Vout+V1)/2……d

由虛短知V+=V-……e

所以Vout=V2-V1這就是傳說中的減法器了。

6）積分電路：

圖六電路中，由虛短知，反向輸入端的電壓與同向端相等

由虛斷知，通過R1的電流與通過C1的電流相等。

通過R1的電流i=V1/R1

通過C1的電流i=C*dUc/dt=-C*dVout/dt

所以Vout=((-1/(R1*C1))∫V1dt輸出電壓與輸入電壓對時間的積分成正比,這就是傳說中的積分電路了。

若V1為恆定電壓U，則上式變換為Vout=-U*t/(R1*C1)t是時間，則Vout輸出電壓是一條從0至負電源電壓按時間變化的直線。

7）微分電路：

圖七中由虛斷知，通過電容C1和電阻R2的電流是相等的，

由虛短知，運放同向端與反向端電壓是相等的。

則：Vout=-i*R2=-(R2*C1)dV1/dt

這是一個微分電路。

如果V1是一個突然加入的直流電壓，則輸出Vout對應一個方向與V1相反的脈衝。

8）差分放大電路

由虛短知Vx=V1……a

Vy=V2……b

由虛斷知，運放輸入端沒有電流流過，則R1、R2、R3可視為串聯，通過每一個電阻的電流是相同的，電流I=(Vx-Vy)/R2……c

則：Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3)=(Vx-Vy)(R1+R2+R3)/R2……d

由虛斷知，流過R6與流過R7的電流相等,若R6=R7，則Vw=Vo2/2……e

同理若R4=R5，則Vout–Vu=Vu–Vo1，故Vu=(Vout+Vo1)/2……f

由虛短知，Vu=Vw……g

由efg得Vout=Vo2–Vo1……h

由dh得Vout=(Vy–Vx)(R1+R2+R3)/R2上式中(R1+R2+R3)/R2是定值，此值確定了差值(Vy–Vx)的放大倍數。

這個電路就是傳說中的差分放大電路了。

9）電流檢測：

分析一個大家接觸得較多的電路。很多控制器接受來自各種檢測儀表的0~20mA或4~20mA電流，電路將此電流轉換成電壓後再送ADC轉換成數位訊號，圖九就是這樣一個典型電路。如圖4~20mA電流流過採樣100Ω電阻R1，在R1上會產生0.4~2V的電壓差。由虛斷知，運放輸入端沒有電流流過，則流過R3和R5的電流相等，流過R2和R4的電流相等。故：

(V2-Vy)/R3=Vy/R5……a

(V1-Vx)/R2=(Vx-Vout)/R4……b

由虛短知：Vx=Vy……c

電流從0~20mA變化，則V1=V2+(0.4~2)……d

由cd式代入b式得(V2+(0.4~2)-Vy)/R2=(Vy-Vout)/R4……e

如果R3=R2，R4=R5，則由e-a得Vout=-(0.4~2)R4/R2……f

圖九中R4/R2=22k/10k=2.2，則f式Vout=-(0.88~4.4)V，

即是說，將4~20mA電流轉換成了-0.88~-4.4V電壓，此電壓可以送ADC去處理。

註：若將圖九電流反接既得Vout=+(0.88~4.4)V，

10）電壓電流轉換檢測：

電流可以轉換成電壓，電壓也可以轉換成電流。圖十就是這樣一個電路。上圖的負反饋沒有通過電阻直接反饋，而是串聯了三極體Q1的發射結，大家可不要以為是一個比較器就是了。只要是放大電路，虛短虛斷的規律仍然是符合的！

由虛斷知，運放輸入端沒有電流流過，

則(Vi–V1)/R2=(V1–V4)/R6……a

同理(V3–V2)/R5=V2/R4……b

由虛短知V1=V2……c

如果R2=R6，R4=R5，則由abc式得V3-V4=Vi

上式說明R7兩端的電壓和輸入電壓Vi相等，則通過R7的電流I=Vi/R7，如果負載RL<<100KΩ，則通過Rl和通過R7的電流基本相同。

11）傳感器檢測：

來一個複雜的，呵呵！圖十一是一個三線制PT100前置放大電路。PT100傳感器引出三根材質、線徑、長度完全相同的線，接法如圖所示。有2V的電壓加在由R14、R20、R15、Z1、PT100及其線電阻組成的橋電路上。Z1、Z2、Z3、D11、D12、D83及各電容在電路中起濾波和保護作用，靜態分析時可不予理會，Z1、Z2、Z3可視為短路，D11、D12、D83及各電容可視為開路。由電阻分壓知，V3=2*R20/(R14+20)=200/1100=2/11……a

由虛短知，U8B第6、7腳電壓和第5腳電壓相等V4=V3……b

由虛斷知，U8A第2腳沒有電流流過，則流過R18和R19上的電流相等。(V2-V4)/R19=(V5-V2)/R18……c

由虛斷知，U8A第3腳沒有電流流過，V1=V7……d在橋電路中R15和Z1、PT100及線電阻串聯，PT100與線電阻串聯分得的電壓通過電阻R17加至U8A的第3腳，V7=2*(Rx+2R0)/(R15+Rx+2R0)…..e

由虛短知，U8A第3腳和第2腳電壓相等，V1=V2……f

由abcdef得，(V5-V7)/100=(V7-V3)/2.2化簡得V5=(102.2*V7-100V3)/2.2即V5=204.4(Rx+2R0)/(1000+Rx+2R0)–200/11……g

上式輸出電壓V5是Rx的函數我們再看線電阻的影響。Pt100最下端線電阻上產生的電壓降經過中間的線電阻、Z2、R22，加至U8C的第10腳，

由虛斷知，V5=V8=V9=2*R0/(R15+Rx+2R0)……a

(V6-V10)/R25=V10/R26……b

由虛短知，V10=V5……c

由式abc得V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/[2.2(1000+Rx+2R0)]……h

由式gh組成的方程組知，如果測出V5、V6的值，就可算出Rx及R0，知道Rx，查pt100分度表就知道溫度的大小了。

運放典型應用電路及分析一覽圖

運算放大器主流廠商

1、美信(Maxim)

總部：美國

產品分類：運算放大器、電流檢測放大器、比較器、特殊放大器

代理商：安富利、艾睿、Mouser、Digi-Key、WT Microelectronics、Pangaea、ECNET、Tomen Electronics、力源、豐藝、天涯泰盟、匯佳成、美爾達、卓越飛訊、粵原點、力拓欣、捷揚訊科、聖邦科技......

官網：www.maximintegrated.com

2、亞德諾半導體(ADI)

總部：美國

產品分類：ADC驅動器、差分放大器、儀表放大器、線性隔離器、運算放大器、RF放大器、RF功率檢波器、專用放大器、可變增益放大器、視頻放大器

代理商：Avnet、Arrow 、e絡盟、大聯大控股、Mouser、Digi-Key、威健國際、Rochester Electronics、世鍵、力源、新曄、康博、艾德萬、恆誠、匯佳成、美爾達、瑜眾達、馳創電......

官網：http://www.analog.com

3、思佳訊(Skyworks)

總部：美國

產品分類：CDMA功率放大器、COMS功率放大器、GSM/GPRS/EDGE功率放大器、LTE功率放大器等

代理商：Premier Farnell、AO-Electronics、Digi-Key、Arrow、安富利、文曄、益登、首科、睿查森、天陽......

官網：http://www.skyworksinc.com/

4、Qorvo

總部：美國

產品分類：3G/4G功率放大器、CATV放大器、CATV混合放大器模塊、增益單元、高效功率放大器、高頻放大器、高可靠性放大性、線性放大器、低噪聲放大器、小型蜂窩功率放大器、可變增益放大器、WiFi功率放大器、驅動放大器、增益單元放大器、大功率放大器、功率放大器、功率放大器模塊、寬頻放大器

代理商：Premier Farnell、AO-Electronics、Digi-Key、Arrow

官網：http://www.qorvo.com/

5、德州儀器(TI)

總部：美國

產品分類：運算放大器、比較器、儀表放大器、電流感測放大器、可編程和可變增益放大器、特別功能放大器

官網：http://www.ti.com.cn/

6、微芯(Microchip)

總部：美國

產品分類：運算放大器、儀表放大器、比較器

代理商：Avnet、Arrow、e絡盟、Mouser、Digi-Key、北高智科技、駿龍、Furture、威健國際、歐時電子、Rutronik（儒卓力）、貝能國際、勝電、彥陽科技、位元電子、世健系統、力源信息、禾琦商貿、集萬訊電子、倍微科技股份、品佳集團、Myland Ltd

官網：http://www.microchip.com/

7、意法半導體(ST)

總部：義大利/法國

產品分類：比較器、電流感應放大器、視頻放大器、運算放大器

代理商：Arrow、e絡盟、Furture、歐時電子、文曄科技、友尚集團、Tomen Electronics、力源信息、威雅利集團、益登科技、Hakuto、Louis Yen Singapore Pte Ltd、安富利、威雅利、勤宏、富昌、艾德萬......

官網：http://www.st.com

8、Intersil(被瑞薩Renesas收購)

總部：美國

產品分類：比較器、電流感測、差分放大器、顯示放大器、增益塊、高速運算放大器、儀表放大器、精密運算放大器、採樣和保持放大器

代理商：中電器材、瑞凡微電子、武漢力源、Avnet、Digi-Key、element14、Future、GMI

官網：http://cn.intersil.com

9、安森美(On)

總部：美國

產品分類：運算放大器、音頻放大器、視頻放大器、跨導放大器、壓縮擴展器、比較器

代理商：Arrow、Avnet、CEAC、Cytech、Future、DigiKey、駿龍、富昌、萬瑞爾、廣盛、芯恆......

官網：http://www.onsemi.cn

10、SG-MICRO（聖邦微電子）

總部：北京

產品分類：微功耗運算放大器、低功耗運算放大器、專用運算放大器、高速運算放大器、高精度運算放大器、低噪聲運算放大器

官網：http://cn.sg-micro.com

11、恩智浦(NXP)

總部：荷蘭

產品分類：低噪聲放大器、中等功率放大器、寬帶放大器、可變增益放大器

代理商：Arrow、Avnet、世平、益登、品佳、易達、潤欣、周立功、增你強、威能、富昌、威凱特......

官網：http://www.nxp.com

12、英飛凌(Infineon)

總部：德國

產品分類：低噪聲放大器

代理商：Avnet、Arrow、大聯大控股、威健國際、易達電子、嵩森科技、英恆科技、恆星科技(香港)、品佳集團、貝能、增你強、世強、晶川、富昌、力源、艾德萬......

官網：http://www.infineon.com

13、東芝(Toshiba)

總部：日本

產品分類：運算放大器、比較器

代理商：安富利、艾睿、世平、振遠、時代、美達奇、綠屋、威雅利等等......

官網：http://www.toshiba.com.cn/返回搜狐，查看更多

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