俗話說，運(yùn)算放大器就是模電的終極目標(biāo)。運(yùn)算放大器(Operational Amplifier)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電信號(電壓 / 電流 / 功率)放大的器件。不僅僅如此，它還可以作為緩沖器、濾波器、各種運(yùn)算功能(積分、微分、乘法、對數(shù))等。

　　運(yùn)放擁有一對差分輸入端(同相 u+ 與反相 u? 電壓輸入)，一個(gè)單端輸出端 uo，一對供電引腳 V+ 和 V?(大多數(shù)時(shí)候不畫出)。它通過同相 u+ 和反相 u? 電壓進(jìn)行輸入，在內(nèi)部進(jìn)行比較運(yùn)算，并通過輸出端 uo 放大輸出。輸出端 uo 輸出阻抗為 0，流出的電流由正電源端子 V+ 提供，流入的電流由負(fù)電源端子 V? 提供。

　　當(dāng)運(yùn)算放大器工作在 線性區(qū)域 的時(shí)候，滿足關(guān)系：

　　uo=Auo(u+?u?)

　　其中，Auo 稱為運(yùn)算放大器的 開環(huán)電壓增益(u 代表電壓，o 代表 open)，一般無窮大。

　　運(yùn)放的工作狀態(tài)

　　集成運(yùn)放的電壓傳輸特性如下圖所示：

　　圖中分為線性區(qū)和非線性區(qū)：

　　工作在線性放大區(qū)：斜線的斜率為開環(huán)電壓增益。

　　工作在非線性區(qū)：即飽和狀態(tài)，在圖中是左右兩端的水平線，輸出電壓為 ?Uom(負(fù)電源端子 V? 的電壓)，或 +Uom(等同于正電源端子 V+ 的電壓)。

　　運(yùn)放的供電

　　運(yùn)放的供電方式一般分 單電源 或 雙電源。單電源下，V+ 接正電壓，V? 接地。雙電源一般指 V+ 接正電壓，V? 接負(fù)電壓。不同的供電方式帶來了不同的頻率性能和輸入輸出的范圍。

　　除此之外，運(yùn)放可以工作在正負(fù)電源(V+/V?)不對稱的情況下(比如 V+ 為 5V，V? 為 -3V)，它并不需要知道地的位置，但依然可以正常工作。

　　運(yùn)放的軌至軌，指的是輸出的電壓能達(dá)到電源電壓。比如，如果是一個(gè)非軌對軌的運(yùn)放，假如供電為 0~5V，輸出有可能只能達(dá)到 0.7~4.3V，而軌對軌輸出則可以 0~5V。

　　運(yùn)放的虛短與虛斷

　　虛短

　　虛短是從電壓的角度看的，在負(fù)反饋的條件下，正負(fù)兩個(gè)輸入端電壓基本保持相等，近似于短路(但并不是真正短路)，稱為虛短。

　　參考負(fù)反饋的電路，可以看到，如果同相輸入端電壓略高于反相輸入端，則負(fù)反饋電路會拉高反相輸入端電壓，直到與同相輸入端電壓相當(dāng);反之，如果同相輸入端電壓略低于反相輸入端，則反相輸入端電壓也會跟隨到此時(shí)同相輸入端的電壓。

　　虛斷

　　虛斷是從電流的角度看的，運(yùn)放兩個(gè)輸入端輸入阻抗很大，流入的的電流只有微安級別，近似為無電流流入也就是斷路，稱為虛斷。

　　注：運(yùn)放兩個(gè)輸入端輸入阻抗很大，是對于一般情況而言。也有特例，比如電流反饋運(yùn)放。

　　常用運(yùn)放電路

　　因?yàn)檫\(yùn)放的開環(huán)電壓增益無窮大，所以需要通過特殊的電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)合適的放大效果。

　　電壓跟隨器

　　電壓跟隨器(也稱 Buffer)用于高阻抗信號源和低阻性負(fù)載之間的緩沖。

　　同相放大器

　　同相放大器輸出與輸入是同相的，可將信號同相放大。

　　效果：通過調(diào)節(jié) RG 與 RF 的阻值，使 VOUT 與 VIN 呈正比放大的關(guān)系。

　　原理：

　　因?yàn)樘摱?，所?V?=VIN

　　因?yàn)槔m(xù)斷，所以 V? 端輸入電流可忽略不計(jì)，所以 IRG=IRF，根據(jù)歐姆定律，0–V?RG=V??VOUTRF，得出 VOUT=VIN(RFRG+1)。

　　反相放大器

　　反相放大器輸出與輸入是反相的，可將信號放大并反轉(zhuǎn)輸出。

　　電壓減法器 / 差動放大器

　　電壓減法器 / 差動放大器可放大兩個(gè)電壓之差，抑制共模電壓。

　　電壓加法器

　　電壓加法器用于多個(gè)電壓求和。

　　低通濾波器 / 積分器

　　低通濾波器 / 積分器用于對信號的低通濾波，限制信號帶寬。

　　高通濾波器 / 微分器

　　高通濾波器 / 微分器用于隔離直流信號、放大交流信號。

　　差分放大器

　　差分放大器用于從差分或單端信號源驅(qū)動差分輸入 ADC。

　　儀表放大器

　　儀表放大器用于放大低電平差分信號，抑制共模信號。其中，VIN 為兩個(gè)輸入端之間的電壓差值

　　運(yùn)放的參數(shù)

　　開環(huán)電壓增益

　　開環(huán)電壓增益 Auo 表示運(yùn)放工作在線性放大區(qū)下的放大倍數(shù)，用 dB 表示。

　　失調(diào) / 偏移電壓

　　失調(diào)電壓 VOS(Input Offset Voltage)有時(shí)候也稱輸入偏置電壓。指的是運(yùn)放輸入端為 0V 的條件下，理想運(yùn)放輸出應(yīng)為零，但實(shí)際運(yùn)放輸出不為零，則實(shí)際輸出電壓除以增益得到的等效輸入電壓稱為失調(diào)電壓。失調(diào)電壓實(shí)際上反映了運(yùn)放內(nèi)部的對稱性。

　　失調(diào)電壓的影響因素有溫度(對應(yīng)失調(diào)電壓的溫漂)、電源波動(對應(yīng)電源抑制比)。失調(diào)電壓是直流偏置，會疊加在輸出上，如果輸出為交流信號，只需考慮疊加后是否會超過供電電壓導(dǎo)致信號失真。

　　我們知道，同相放大器的放大公式是 VOUT=VIN(RFRG+1)，如果考慮失調(diào)電壓的影響，那么輸出為 VOUT=(VIN+VOS)(RFRG+1)。

　　失調(diào)電壓溫漂

　　失調(diào)電壓溫漂 TCVOS 表示輸入失調(diào)電壓變化量與溫度變化量的比值(芯片工作溫度范圍內(nèi))。

　　失調(diào)電壓溫漂會導(dǎo)致失調(diào)電壓發(fā)生變化，影響運(yùn)放輸出。

　　輸入失調(diào)電流

　　失調(diào)電流 IOS 指當(dāng)運(yùn)放輸出為零時(shí)，兩個(gè)輸入端流入 / 流出直流電流的差值。失調(diào)電流受制造工藝的影響。

　　IOS=IB++IB?

　　輸入偏置電流

　　偏置電流 IB 指當(dāng)運(yùn)放輸出為零時(shí)，兩個(gè)輸入端流入 / 流出直流電流的均值。

　　IB=IB++IB?2

　　偏置電流受制造工藝的影響，雙極型工藝輸入偏置電流在 10nA~1μA 之間;場效應(yīng)管工藝輸入偏置電流一般低于 1nA。

　　可通過在同相端增加匹配電阻，消除誤差。

　　增益帶寬積

　　增益帶寬積 GBW(Gain–bandwidth product，GBWP/GBW/GBP/GB)指在某頻率(一般為運(yùn)放增益衰減 -3dB)下開環(huán)電壓增益與測量頻率(帶寬)的乘積。

　　GBW=Auo?BW

　　增益帶寬積受運(yùn)放內(nèi)結(jié)電容的頻率響應(yīng)特性影響。在設(shè)計(jì)中如果發(fā)現(xiàn)高頻信號增益大小受限，則必須選用 GBP 參數(shù)較大的運(yùn)放。

　　共模抑制比

　　共模抑制比 CMRR(Common Mode Rejection Ratio，CMRR)指的是共模電壓范圍(CMVR)與此范圍內(nèi)的輸入失調(diào)電壓(ΔVOOS)變化的比值，結(jié)果用 dB 表示。

　　CMRR=20log(CMVRVOOS)

　　共模抑制比受電路對稱性(失調(diào)電流等參數(shù))、線性工作范圍的影響。此參數(shù)是為了表示差分放大電路抑制共模信號、放大差模信號的能力。共模抑制比高，意味著可以更加抑制共模輸入的干擾信號，提高信噪比。

　　轉(zhuǎn)換速度

　　轉(zhuǎn)換速度 SR(Slew Rate，SR)也稱壓擺率。表示在大信號條件下，輸出電壓變化的最大速率。

　　SR=2πfVpk

　　其中，f 為最大頻率(一般為帶寬)，Vpk 是放大輸出信號的最大峰峰值。

　　轉(zhuǎn)換速度用于評價(jià)運(yùn)放對信號變化速度的適應(yīng)能力，是衡量運(yùn)放在大幅度信號作用時(shí)工作速度的參數(shù)。當(dāng)輸入信號變化斜率的絕對值小于 SR 時(shí)，輸出電壓才按線性規(guī)律變化。

　　其他參數(shù)

　　共模電壓范圍 CMVR：也稱為輸入電壓范圍，如果兩個(gè)輸入端輸入電壓超出此范圍，輸出將發(fā)生削波或過大非線性現(xiàn)象。

　　全功率帶寬：指在單位增益下測得的最大頻率，在此頻率下可以得到一個(gè)正弦信號的額定輸出電壓，且壓擺率不會導(dǎo)致信號失真。

　　工作電源電壓范圍：運(yùn)放正常工作時(shí)，能施加的電源電壓范圍。

　　電源抑制比 PSRR：電源電壓的變化與輸入失調(diào)電壓的變化之比，結(jié)果用 dB 表示。

　　建立時(shí)間：施加一個(gè)階躍輸入后，放大器建立至某一預(yù)定的精度水平或輸出電壓百分比所需的時(shí)間。

　　電源電流：放大器空載工作時(shí)電源電壓需提供的電流。

　　根據(jù)參數(shù)選型

　　根據(jù)參數(shù)挑選運(yùn)放，大致有以下步驟：

　　判斷輸入信號類型：直流需注意失調(diào)電流、失調(diào)電壓;差分輸入需判斷是否選擇儀表放大器;高頻交流信號需注意增益帶寬積 GBW 和轉(zhuǎn)換速度 SR。

　　判斷精度要求：需要考慮失調(diào)電壓、偏置電流、失調(diào)電流、共模抑制比對精度影響，判斷是否選用高阻運(yùn)放或精密運(yùn)放。

　　判斷環(huán)境條件：需要注意運(yùn)放的溫度量程，注意溫漂，注意電源紋波抑制比 PSRR 的影響。

　　判斷其他要求：通道數(shù)、單 / 雙電源供電(軌對軌信號失真小，可滿幅值輸出)、功率大小(高壓 / 大電流情況下)。