运算放大器概述

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运算放大器(Operational Amplifier)简称OP,于20世纪40年代作为模拟计算机功能开发出来。

符号:

左端为两个输入端,“+”号端为同相输入端,“-”号端为反相输入端。

基本参数

电压增益:

输出端电压与两输入端电压的比值。理想运算放大器的电压增益为无限大。

输入阻抗:

理想运算放大器的输入阻抗为无限大,此时,两输入端无电流流通。

输出阻抗:

理想运算放大器的输出阻抗为零。不管负载如何变化输出电压保持不变。

注意:输出阻抗和负载不是同一个概念。

输出阻抗指的是在信号源输出端内部电路中的电阻

。它对于干扰、失真和信号传输的影响非常重要。输出阻抗越小,信号能够更好的传输到负载中,同时失真也会更少。

负载就是信号源输出端后面接的设备

,可以吸收信号源提供的功率并执行相应任务。总结,信号从输入端到输出阻抗之后才可以给后面所带的负载。因此输出阻抗为零,就代表可以提供任何大小的电流给负载,且不会造成电压降,但仅为理想情况。实际电路中,我们需要尽量接近零输出阻抗的情况来或得更好的信号和减少信号失真。

绝对最大额定值

表示使用上的极限值,超过最大额定值条件下工作时,实际上元件已被损坏。据经验,大多数运算放大器的工作温度范围都在-55~+125℃。电源电压最大值随运算放大器相对规格值的裕量不同而不同。差模与共模输入电压范围都几乎没有裕量。若消耗功率不尽量小,则特性变化较大。在实际设计时,必须根据绝对最大额定值按一定比例的保守条件进行设定,即降额使用。

注意:运算放大器的差模和共模电压范围指的是其输入端所能承受的电压范围,与电源电压有一定关系但不完全相同。

差模电压指的是运算放大器两个输入端之间的电势差,它不受电源电压的影响而主要取决于运算放大器内部各个元件的设计参数,并在规格书中有明确规定。(

差模又称串模,指的是两根线之间的信号差值

共模电压指的是两个输入端所接收到的同相信号相对于地或者参考点的电势差,通常受运算放大器所连接的电源电压和地/参考点之间的电位差的影响。会导致运算放大器的偏置电压发生变化,从而使输出失真,漂移或不能达到所需的精度。因此在使用时需要对共模信号进行抑制,以避免其对输出结果产生的干扰。(

共模噪声又称对地噪声,指的是两根线分别对地的噪声

电气特性

表示工作时的性能。

输入失调电压
V_{IO}

指的是在相同输入信号时所产生的输出电压差,这是由于

工艺或者因为误差等原因

造成的运算放大器本身参数略有不同。失调电压可以通过校准或者使用精度更高的运算放大器来解决。

通常被认为是固有的零偏误差之一。

注意:失调电压和共模漂移是两个概念。共模漂移(Common-Mode Drift)是指在相同输入信号下,由于

环境、温度等原因

导致运算放大器两个输入端之间微小的差异。即使是相同的信号进入运放,也会由于共模信号环境变化而产生输出,

不能归结为固有零偏误差

。在实际应用中,需要采取相关措施抑制和校正共模漂移,例如,在设计电路时可以使用差分运算放大器,并采取合适的屏蔽和隔离措施等。


简单来说,失调电压是由于运算放大器本身参数略有不同引起的输出差异;而共模漂移则是由于环境变化引起的输入端微小差异导致的输出变化。

直流放大器经常遇到的问题是,即使由外加电路对输入失调电压进行调零,但由于环境温度不同会发生变化。这称为输入失调电压的温度系数(温漂)。

输入偏置电流
I_{IB}
,输入失调电流
I_{IO}

Ib( Input basic current=输入偏置电电流)

运算放大器两个输入端流进或流出直流电流的平均值。此值会使输入端接的电阻受影响,越小越好。

Ib_os ( input basic offset current =输入失调电流)

运算放大器两个输入端输入偏置电流之差的绝对值。此值越小越好。

输入电阻
R_{in}

运算放大器两个输入端间差动输入电阻。运算放大器两个输入端与地之间共模输入电阻是
R_{in}
的10~100倍,对运放工作的影响很小可以忽略。需要注意的是:
R_{in}
由微小交流信号进行定义,不是
V_{IO}

I_{IB}
的比值。

电压增益
A_{v}

也称差动电压增益。运放将反相输入端与同相输入端间电压以增益
A_{v}
进行放大并输出,理想
A_{v}

=∞。此值影响增益稳定度,因此,此值越大越好。



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