模拟电子技术基础的第一课讲的是晶体管放大电路涉及了静态计算动态分析输入输出电阻等设计一个完美的晶体管放大电路设计了比较多的运算和分析而同样为了实现放大功能运算放大电路显得更成熟易用运算放大电路是由集成运放和少量外围电阻组成的有时还有外部电容只要简单选型一款合适的运放计算外部几个电阻的取值就可以实现我们电类竞赛运放模块的大部分的放大需求本文基于我的学习笔记和竞赛运放模块设计制作经验想要总结一篇入门级的运放讲解推文集成运放简介下图是运算放大器的电路符号一共有五个引脚按照下图2脚末端有个符号是运放的反相输入端3脚末端对应了正号是运放的同相输入端也就是说一路运放有两个输入端一路运放的意思是很多运放芯片内部有多个下图这样的三角形带引脚符号我们学习运放单看一路那么两个输入端是什么意思呢像别的比如12V转5V的降压电路只有一个输入不是吗其实像直流开关电源电路也不是一个输入端也算是两个输入端只不过负极输入端接了GND作为地电位运放的两个输入端可以选择一端通过电阻接地那么另一端可以通过电阻接入输入信号道理是一样的运放还经常用于各种差分信号的处理因此设计成同相反相两个输入端便于应用差分信号指两端信号电位做差得到的幅度值信号一般信号电位都是对地的所以简称为这个点的电压两个对地电位不同的信号之间做差这个幅度的差值作为一个新的信号就叫做差分信号共模信号/共模电压指两个信号的平均值即两点信号电压相加除以二有时表现为交变非正弦信号的平均值有时表现为脉动直流电的几何中心值或者是某一交流信号的直流干扰叫做共模干扰1脚是运放的输出端输出端只有一个引脚那这个输出信号是相对哪个参考电平来说的呢这时由另外两个引脚决定的即4脚和8脚一般来说更靠近同相输入端的4脚为正供电端更靠近反相输入端的8脚位负供电端当4脚接正的直流供电如5V9V12V而8脚接地时我们可以画一个第一象限的图像在x0V和xVCC之间划定范围1脚输出信号就在这两条横线的范围上下移动假如输入的是交流信号输出交流信号肯定不是才0V上下波动了因为0V以下的电压会因为供电限制而被削除这种也叫输出失真但是现在直接输入交流信号引起的这样的失真完全是自己设计的问题在实际单电源即5V和GND供电运放电路的输入信号还会加载参考电压不论直接用基准芯片产生参考电压还是从供电5V用电阻分压产生参考电压当供电为±5V或者±12V等时就是双电源供电输出信号可以在±5V的范围内上下变化这时不用加载参考电压并且通常会输出串联耦合电容来滤除直流共模干扰集成运放实际上内部也是由大量晶体管组成的集成运放组成的放大电路完全能够实现很多需要搭建晶体管放大电路来实现的功能集成运放能实现的电路功能搭建晶体管也一样能实现但是一些晶体管分立元件搭建的电路不一定能够选型出现有的集成运放来实现不过对于信号放大一般使用集成运放是方便快捷的集成运放内部电路可以简单的分为三大结构输入级差分接法运放的两个输入端在内部是由集体管组成的差分接法为运放提供了超高的输入电阻高共模抑制比等优点中间级共射接法运放内部有一级或多级共射晶体管放大电路提供了超高电压增益以及电平移位的功能输出级互补共集接法负载能力大输出电阻小上世纪七十年代在美国的仙童半导体公司先后发明了uA709和uA741两款集成运放提供了优异的参数和新颖的设计极大推动的技术的进步我们刚刚简单介绍了集成运放想要开始掌握运放本文将从以下几点进行介绍理想运放和负反馈基础的运放电路和运放的参数指标实用运放方案基于OPA2350的信号放大电路和差分放大电流检测电路理想运放引入负反馈在讲理想运放的特点之前先给出运放的输入输出关系式VoAuo*V - V-即运放输出电压等于同相输入电压减反相输入电压再乘以开环放大倍数Auo当一个运放是理想运放时开环增益Auo∞且输入电阻无穷大实际生产的运放会尽可能的增大开环增益和输入阻抗以靠近理想运放但是基础的运放电路不是这么用的运放可以配合外部电阻形成反馈从而推出目标输入输出关系形成反馈后可以方便的由外部电阻设定闭环增益Auf我们常用的闭环方式是负反馈也就是把输出端通过反馈电阻接回到反相输入端这么做的理由可以通过下图的推导理解上图是通过Rg和Rf组成的分压器把输出电压Vo反馈到反相输入端设反相输入端电位为Vx同相输入端有输入电压为Vs这个电路就是最简单的同相输入负反馈运算放大电路简称为同相放大器式中Auf是闭环增益通过计算得到Auf1Rf/Rg也就是说这个同相放大器的输入输出关系式是VoVs*1Rf/Rg这样我们就实现了通过设定Rf和Rg两个精密电阻就可以精确的控制输出同时运放本身越接近理想运放参数越优异放大效果就越好另外这个电路因为引入的负反馈在上式的推导过程中除了基本的基尔霍夫定律还用到了两个非常重要的运放负反馈特性虚短运放电路引入深度负反馈时同相输入端和反相输入端电位相等即V等于V-但是不是真的短路在一起叫做虚短虚断运放电路引入深度负反馈时同相输入端和反相输入端都没有电流流入流出即I等于I-等于0但是不是真的断路叫做虚断我们常用以上称为“虚短虚断法”的方式推导负反馈运算放大电路应用非常广泛同时可以拓展学习以下方框法解运放电路本文不涉及几种基本运放电路同相放大器下图是同相放大器基础电路输入信号加载到同相输入端供电引脚省略未画根据虚短虚断法切解出放大器增益如下图反相放大器跟同相放大器一样反相放大器也是一个比较基础的可实用的放大电路只需要一款通用运放加1%精度的电阻就可以搭建一个性能较好的反相放大电路减法器/差动放大器根据运放差分输入的特性搭建如下图所示的减法器可以对差分电压进行放大当下图左边的四个电阻中R1R3RAR2R4RB时减法器的输出关系式可以化简为下图右式称为差动放大器有一些集成差动放大器芯片内部的RA和RB为匹配良好的精密电阻能够很便利的进行差分电压的放大因此差动放大电路经常可用于电流检测电流检测的原理是这样的输出串联一个采样电阻这个采样电阻值很小且精度很高输出负载电流流经采样电阻产生一个很小的精确的电压通过差动放大器放大采样电阻两端的差分电压到一个ADC可接受的值采样后进行处理就可以倒退出输出负载电流的值下下图是一种差分放大电流用于电流检测的示例R24和C24用于输出滤波运放的参数指标失调电压理想运放在引入负反馈后是虚短的实际运放接成运放电路之后就算输入信号为0输出也不为0因为运放两个输入端存在一个小的电压差称为输入失调电压经过运放开环增益放大以后导致输出信号产生输出失调电压这时如果要求输出绝对精确就需要对输入失调电压进行调零对于交流输入信号失调电压会导致输出信号直流电平移位因此可以通过调零或者通过输出串联耦合电容消除影响如果在直流放大场合不希望失调电压的影响就应该选用失调电压较小的运放这个参数才数据手册里一般标注为Vos与此相关的一些参数有温漂时漂压漂分别指的是输入失调电压随器件温度产生漂移失调电压随时间产生漂移失调电压随供电电压产生漂移因为这些参数的存在才使得应对失调电压最好的办法是选取参数优异的运放而不是不断调零如果需要对失调电压进行分析那么可以在同相输入端加一个标注输入失调电压的电压源先把两个输入端对地短接调整同相输入端加载的电压源直到输出电压为0V这个电压就是输入失调电压Vos串联在同相输入端内部输入失调电流实际运放两个输入端也不是绝对虚断的它们会存在微量的输入漏电流定义两个输入端流进电流为正两个漏电流从差值称为运放的输入失调电流同时两个漏电流取绝对值之后求平均得到的共模电流称为输入偏置电流这个输入偏置电流的主要影响在于如果输入端串联了电阻或者对地接有电阻那么偏置电流就会在电阻上产生压降这个压降同失调电压一起被运放放大对输出产生影响至轨电压运放的供电方式分为单电源供电和双电源供电不论哪种供电方式运放的输出电压是绝对不会超过供电电源电压轨的因此在供电电压满足运放“绝对最大平均值”的情况下引入至轨电压这个参数定义为输出电压的最大值与供电电压的差距比如运放供电电压是±12V当运放输出电压最大达到11V时这个运放的至轨电压就是1V当运放的至轨电压小于1V或者比较小可以被设计接受时称这个运放是“轨至轨”的这样的运放算是性能不错的共模抑制比共模抑制比英文简称为CMRR因为运放是差分输入的因此我们要的是差模放大增益但是输入信号也会存在共模电压由此产生的共模放大增益是我们不想要的CMRR越高的运放差模增益与共模增益的差距越大以至于共模增益产生的影响很小可以忽略不计开环增益理想运放的开环增益为无穷大实际运放的开环增益越大输出电压值越准确越接近理论计算值现在的运放开环增益一般都比较大带宽运放也需要关注其频率特性频率特性好的运放可以工作在很高的频率下而输出准确不失真压摆率压摆率的英文简称为SR表示输出电压的变化速率压摆率越高的运放输出电压变化越平滑果断但是没有必要追求极致的压摆率只需要覆盖输出电压的变化速率就可以了这样可以尽可能的降低输出电压的失真度谐波失真下图是OPA2350数据手册中的谐波失真与频率对照图图中展示了二次谐波与三次谐波随频率变化的谐波失真度dBc是谐波相比于基波的倍率的一个变换单位可以直接看上面的单位为%的常数可见当频率越高时二次谐波和三次谐波相比基波都变得越来越大占基波的比例也越来越大这就称为运放的谐波失真运放输出一个正弦波时往往不是一个标准的正弦波实际输出的正弦波可以通过F变换得到一次基波方波和无数次的谐波n2345...我们常常计算到7次谐波如下式所示在示波器中我们可以开启math模式进行F变换得到所测正弦波的各次谐波从而分析这个波形的谐波失真度叫做THDTotal Harmonic DistortionTHD越小的正弦波越接近理想正弦波输出失真度越小热阻总结运算放大器的应用非常广泛在理解了负反馈与虚短虚断法之后就可以实际入手设计制作运放模块了从最基础的比例放大电路差分放大电路到运放组成的更高级的比较器等电路都可以用上述方法分析包括运放的选型也可大致参考具体参数定义可以再进一步学习感谢阅读