通俗易懂地讲解什么是运算放大器

‌运算放大器(Operational Amplifier，简称Op-Amp)是一种具有很高放大倍数的电路单元，主要用于对输入信号进行放大、运算等处理。‌ 运算放大器通常结合反馈网络共同组成某种功能模块，其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。

运算放大器(op amp)是指具有明确定义操作特性的集成电路。单个集成电路可以包含一个运算放大器，也可以在一个单一芯片上包含多个运算放大器。因此，你可能会看到一个只有一个运算放大器的集成电路，也可能会看到一个在同一块硅片上实际上有多个运算放大器的集成电路。运算放大器广泛应用于计算机电路和工业计算机应用中。

运算放大器特性

在实际中，运算放大器的输入阻抗是非常大的，我们可以认为是无穷大，输出阻抗接近于零，可以认为是零。大部分情况下，运算放大器本质上是一个具有单端输出的差分放大器，其输出是非反相输出。 差分放大器大部分有两个输入和两个输出，一个是反相输出，一个是非反相输出。大多数运算放大器使用双电源，即与一个正电源和一个负电源相关联。一些运算放大器具有多个补偿引脚，这些引脚用于微调运算放大器的行为。例如当输入引脚上为0伏时，可能会产生一些输出电压。这被称为偏移电压，可能是正的或负的。补偿引脚用于抵消这种偏移电压。需要注意的是，通常情况下，运算放大器的增益为100000，因此输入端上的微小电压可能会导致相当大的输出电压，因此有时需要这些补偿引脚来调整输出电压。通常来说，运算放大器包含两个输入端，一个输出端，两个电源接口，一个或多个补偿引脚。下图表示一个实际的运算放大器。

分类

根据不同的应用场景和性能要求，运算放大器可以分为多种类型，包括：

低噪声运算放大器：用于接收微弱的信号并将其放大到可测量的范围，广泛应用于通信系统和医疗仪器等领域。

高增益运算放大器：具有很高的放大倍数和较低的失真率，常用于音频放大器、视频放大器等对音质要求较高的场合。

高速运算放大器：具有很高的工作频率和较低的传输延迟，适用于高速数据采集和处理系统。

高压运算放大器：具有很高的输入电压承受能力和较低的输出电流消耗，适用于高压应用领域。

主要参数

运算放大器的性能可以通过一系列参数来描述，这些参数包括：

放大倍数：指在没有反馈的情况下，运算放大器输出电压与输入电压之间的比值，通常高达数万至数十万倍。

输入电阻：运算放大器输入端的电阻，通常非常高(百万至千万欧姆)，以减少对输入信号的影响。

输出电阻：运算放大器输出端的电阻，影响输出信号能否有效驱动负载。

共模抑制比：衡量运算放大器对共模干扰的抑制能力，通常用于描述其在处理共模信号时的性能。

基本原理

运算放大器的工作原理可以概括为以下几个步骤：

输入信号：从输入端引入待放大的信号，通常为电压信号。

输入级：输入信号首先经过一个输入级，该级通常由一个差动放大器组成，用于增大输入信号的幅度并提供与输入信号相同的放大倍数。

中间级：放大后的信号进入一个或多个中间级，这些级别由放大器组成，用于进一步增加信号的幅度，并可能对信号进行滤波和调整。

输出级：最终放大后的信号通过输出级输出，输出级通常由一个功率放大器组成，提供足够的功率来驱动负载。

运算放大器具有一个同相输入端、一个反相输入端、两个直流电源引脚(正极和负极)、一个输出端和一个附加的凋零引脚。理想的运算放大器具有以下特性：

‌无限大的开环增益‌：输入端的差动信号有无限大的电压增益，这使得运算放大器在实际应用时非常适合加上负反馈组态。

‌无限大的输入阻抗‌：输入端不容许任何电流流入，即输入阻抗无限大。

‌零输出阻抗‌：输出端是一个完美的电压源，无论流至放大器负载的电流如何变化，输出电压恒为一定值。

‌高共模抑制比‌：只对两输入端电压的差值有反应，忽略相同的部分。

应用领域

运算放大器广泛应用于各种电子设备中，包括信息家电、手机、PDA、网络等新兴应用。由于其高精度和高放大倍数，运算放大器在信号处理、测量仪器、音频设备等领域有着重要的应用。

什么是运放?它有哪些分类?又有哪些主要参数呢?接下来，纳祥科技将带您深入了解运放的奥秘。

(一)什么是运放?

运算放大器(Operational Amplifier，简称运放)，是一种高增益、直流耦合的电子放大器，广泛应用于模拟电路设计中。

运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在，常被用作信号放大、滤波、比较、积分等电路中的关键部件。

(二)运放的工作原理

运放的全称是 “运算放大器” ，顾名思义，运放主要具有 “运算” 和 “放大” 两个主要特性，运放本身具有对差模信号的放大功能，当给它加上一定形式的负反馈，就能完成加法、减法、积分、微分等数学运算，运算特性本质是对放大特性的应用。

如压控运算放大器可以简化为下图：

它的工作原理大概是这样的：输入会有两个电压V+和V-，输入之后就会产生一个电压差Vin，电压差加在输入电阻Rin上面。这里面还有一个压控电压源，它会把收到的一个小电压放大G倍(即GVin)，然后再通过一个内部的输出电阻Rout输出出去，那么就可以得到一个被放大的电压Vout。

(三)运放的关键指标有哪些?

运算放大器的参数众多，约有二十多个，如增益、输入阻抗、输出阻抗、截止频率、噪声等。其中，最主要的参数包括以下几个：

⑴ 增益带宽积(GBW)

这是衡量运放在不同频率下增益能力的一个参数，它表示运放的开环增益与频率的乘积。GBW值越大，表明运放在更宽的频率范围内保持较高的增益。

⑵ 转换速率(SR)

也叫压摆率，这是指运放输出电压对时间的变化率，即运放响应输入信号变化的速度。高SR值对于快速变化的信号放大尤为重要。

⑶ 共模抑制比(CMRR)

这是衡量运放抑制共模信号(两个输入端的共同信号)能力的参数。高CMRR值意味着更好的抗干扰性能。

⑷ 输入失调电压(Vos)

这是指运放在无输入信号时，输出端存在的直流电压偏移。低Vos值有助于提高电路的精度和稳定性。

⑸ 电源抑制比(PSRR)

这反映了运放对电源噪声的抑制能力。高PSRR值有助于减少电源噪声对电路性能的影响。

(四)运放有哪些种类?

根据不同的分类标准，运放可以分为多种不同类型。最常见的分类包括通用型、精密型、高速型、低功耗型、高压大功率型和可编程控制型等。以下是对运放种类的详细介绍：

⑴ 通用型

特点：通用型运算放大器设计用于满足大多数常规应用的需求，具有价格低廉、产品量大面广的特点。

应用：适用于音频设备、一般的信号放大等场景。

⑵ 精密型

特点：精密型运算放大器具有非常低的失调电压和温度漂移，适合对精度要求极高的应用。

应用：常用于精密仪器、医疗设备以及任何需要高精度信号处理的场合。

⑶ 高速型

特点：高速型运算放大器具备快速响应能力，适用于高速信号处理。

应用：主要用于视频信号处理、高速数据采集系统等需要快速操作的领域。

⑷ 低功耗型

特点：低功耗型运算放大器设计用于便携式和远程设备中，以减少能源消耗。

应用：广泛应用于电池供电的设备，如便携式医疗设备、传感器网络等。

⑸ 高压大功率型

特点：这类运算放大器可以处理高电压和大功率，适用于驱动大型负载或在高压环境下工作。

应用：常用于工业控制系统、汽车电子等领域。

⑹ 可编程控制型

特点：可通过外部控制调整放大倍数，提供灵活的配置选项。

应用：适用于需要动态调整放大参数的测试设备和自适应信号处理系统。

(五)如何选择运放芯片?

运放芯片，指的是集成了运算放大器功能的半导体芯片，通常包含一个或多个运算放大器电路，并且可能包括其他辅助电路如偏置电路、保护电路等。

在选型过程中，需要综合考虑应用场景、关键参数、环境条件、封装与尺寸以及成本与供应链等因素。