運(yùn)算放大器的工作原理及應(yīng)用

摘 要：隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)算放大器在模擬電路中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，在電子領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，如汽車電子、通信電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品等。運(yùn)算放大器的特點(diǎn)便是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的計(jì)算，制成集成電路之后，具有體積小、性能穩(wěn)定、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)。文章主要分析了運(yùn)算放大器的工作原理，并針對(duì)運(yùn)算放大器的特點(diǎn)，分析了對(duì)應(yīng)的具體應(yīng)用策略。

關(guān)鍵詞：集成運(yùn)算；工作原理；實(shí)際應(yīng)用

運(yùn)算放大器是模擬電路領(lǐng)域最常用的電子器件之一，屬于有源元件，具有多個(gè)端鈕，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的加減乘除、比例運(yùn)算、微分和積分等計(jì)算，也可以用來(lái)處理電信號(hào)，如比較和選擇信號(hào)的幅度。如今運(yùn)算放大器憑借其優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、各種測(cè)量裝置中，對(duì)電子科技的發(fā)展有著重要的意義。同時(shí)，運(yùn)算放大器作為新興的科技，在教學(xué)過(guò)程中一直都是重點(diǎn)和難點(diǎn)，許多教師往往都不知道應(yīng)該如何教學(xué)，同學(xué)們更是大都難以理解其原理，在分析電路的時(shí)候就難以下手，更不用說(shuō)應(yīng)用計(jì)算了。

一、運(yùn)算放大器的基本原理

為了了解掌握運(yùn)算放大器，首先就要清楚它的工作原理。運(yùn)算放大器有三個(gè)端口，其中有兩個(gè)輸入端口，分別為“+”和“-”；一個(gè)輸出端口，常用渧表示。當(dāng)輸入信號(hào)從“-”端口輸入放大器時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相；反之，當(dāng)輸入信號(hào)從“+”端口輸入放大器時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相；當(dāng)兩個(gè)輸入端口同時(shí)輸入信號(hào)時(shí)，運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減數(shù)運(yùn)算，輸出信號(hào)與較大的一方同相。所以說(shuō)，運(yùn)算放大器基本上可以說(shuō)是一個(gè)電壓放大器，主要有以下特點(diǎn)：（1）輸入電阻很大，一般在2MΩ以上。對(duì)于理想運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，輸入電阻R=∞，也就是說(shuō)，理想運(yùn)算放大器輸入端口之間沒(méi)有電流流過(guò)，所以有“虛斷”的理想放大器電路研究方法。（2）輸出電阻很小，一般在100Ω之內(nèi)。由于輸出電壓便是由輸入端口控制的受控源兩端的電壓，所以運(yùn)算放大器的輸出電阻就是受控源的內(nèi)阻，而理想受控源內(nèi)阻為零，故理想運(yùn)算放大器輸出電阻為零。（3）電壓放大倍數(shù)很高，一般可高達(dá)20萬(wàn)倍以上。理想運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無(wú)窮大，則兩輸入端口電壓相等，所以有“虛短”的理想放大器電路研究方法。

從根本上講，運(yùn)算放大器也可以看做物理模型中的杠桿模型。由于放大器的工作性質(zhì)，易知輸出電壓由兩個(gè)輸入端口電壓及放大倍數(shù)共同決定，其中放大倍數(shù)可以視為運(yùn)算放大器的力矩比，兩端口電壓值差可視為杠桿上施加的動(dòng)力。當(dāng)二者反相時(shí)，可視為支點(diǎn)在杠桿中間某位置，輸入電壓與輸出電壓在杠桿兩端，一端升起一端下降，此時(shí)可理解為輸出電壓相比于輸入電壓落后180°；當(dāng)二者同相時(shí)，可視為支點(diǎn)在杠桿一端，輸出電壓與輸入電壓在支點(diǎn)的同一端，兩者同時(shí)升起和下降。

正弦波的輸入可以理解為杠桿的輸入端在豎直平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，該旋轉(zhuǎn)圓等同于正弦波信號(hào)，可設(shè)為輸入端的信號(hào)圓，輸出端同理可設(shè)為輸出端的信號(hào)圓。輸入、輸出信號(hào)圓的大小之比扥估輸入阻抗與反饋?zhàn)杩沟谋龋盘?hào)圓的半徑即為正弦波的幅值。

二、運(yùn)算放大器的應(yīng)用

不同類型的運(yùn)放組合可以形成近百種運(yùn)放系列，按功能和性能劃分，可以分為通用運(yùn)放和專用運(yùn)放，其中專業(yè)運(yùn)放又分為高速運(yùn)放、寬帶運(yùn)放、低功耗運(yùn)放、高輸入阻抗運(yùn)放等，根據(jù)運(yùn)放種類不同也有不同的功效。

運(yùn)算放大器最典型的應(yīng)用就是放大電路。與電壓的輸入端口有關(guān)，放大電路分為同相放大器和反相放大器，如果放大交流信號(hào)則需要采用隔直耦合電容，顧名思義，隔直耦合電容是隔斷直流信號(hào)的，對(duì)于直流信號(hào)的放大自然不需要。放大電路的放大倍數(shù)通常設(shè)置在100倍左右，如果增益過(guò)高則會(huì)引起電路的震蕩，形成一些不必要的麻煩，因而若是想放大更多的倍數(shù)，最好用多個(gè)增益效果相同的運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)，效果也比用一個(gè)運(yùn)放更好。同樣的，有放大電路就有衰減電路。集成運(yùn)算放大器也可以組成衰減器，其原理與放大電路類似，只不過(guò)是反向增益，所以得到的效果截然相反。

除了上述提到的運(yùn)算放大器的一些簡(jiǎn)單應(yīng)用，一些精密運(yùn)放還可以應(yīng)用在高端的儀器中。以AD517為例，它是一種單片高精密運(yùn)算放大器，擁有激光調(diào)整的低失調(diào)電壓、低漂移等精密特性，同時(shí)具有內(nèi)部補(bǔ)償和短路保護(hù)，能防止自鎖，具有超低偏置電流電路，偏置電流最大值1nA。AD517可以組成微電流-電壓轉(zhuǎn)換器，具有較高的靈敏度，本來(lái)的失調(diào)電壓漂移和噪聲等誤差會(huì)被增益放大以致影響儀器性能的缺點(diǎn)也被AD517的精密性所彌補(bǔ)。在轉(zhuǎn)換器的外部加上一層防護(hù)體作為屏蔽層以減少噪聲的影響，便可以應(yīng)用到需要的地方，且性能極佳。

在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)放的選擇必須要綜合考慮到設(shè)計(jì)目的、目標(biāo)的信號(hào)電平、閉環(huán)增益、所需的精度以及環(huán)境條件等其他因素，并將需求性能轉(zhuǎn)化為運(yùn)算放大器的對(duì)應(yīng)參數(shù)。這就需要設(shè)計(jì)者深刻理解運(yùn)算放大器的各個(gè)指標(biāo)，以及不同運(yùn)放的特性，同時(shí)考慮到最優(yōu)性能和性價(jià)比，既要達(dá)到設(shè)計(jì)目的，又不能浪費(fèi)資源。

三、結(jié)語(yǔ)

運(yùn)算放大電路雖難，但是不管多復(fù)雜的電路，只要運(yùn)用合適的方法，抓住運(yùn)放電路的基本特點(diǎn)，所有的問(wèn)題都可以解答。引用杠桿原理，對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行深度剖析，可以較為直觀地解析運(yùn)算放大器的工作特性，了解運(yùn)放的基本特點(diǎn)。總而言之，運(yùn)算放大器主要用于處理信號(hào)，有兩輸入一輸出共三個(gè)端口，輸入電阻較大，輸出電阻很小。理想運(yùn)算放大器輸入電阻無(wú)窮大，輸出電阻為零，即擁有“虛短”和“虛斷”的分析方法。信號(hào)的放大分為同相和反相，主要放大方式有比例運(yùn)算方大、加減運(yùn)算放大、微分和積分運(yùn)算放大、指數(shù)和對(duì)數(shù)運(yùn)算放大等。運(yùn)算放大器可以級(jí)聯(lián)，且不影響自身的輸入——輸出關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]黎昕，鄭宏軍.集成運(yùn)算放大器的選擇策略與應(yīng)用技術(shù)[J].儀表技術(shù)，2014，（1）：67-68.

[2]孫正鼐，史普帥，張華強(qiáng).運(yùn)算放大器工作原理的深度剖析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，（8）：34-38.

[3]龍曉慶.單電源集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用探討[J].大眾科技，2016，（12）：14-15.

作者簡(jiǎn)介：胡玉松（1989-），男，漢族，四川廣元人，碩士，助教，研究方向：集成電路設(shè)計(jì)、電路與系統(tǒng)。