运算放大器
单电源双电源有电源接口没电源接口闭环开环
简介
运算放大器(Operational Amplifier)
定义：一种高增益的直流耦合差分放大器，简称OP AMP，是模拟电路设计的核心器件。
核心功能：对差分输入电压进行放大，输出单端信号。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。由于早期应用于模拟计算机中用以实现数学运算因此得名。
国际通用符号：
![[运放符号2_图片清晰化.png]]
清晰标识 反相(-) 、 同相(+) 输入端及输出端
正输入端IN+、负输入端IN-、电源正输入端V+、电源负输入端V-、输出端OUT
运算放大器有很多种类和参数，根据不同的应用场合，可以选择合适的型号和封装。
放大器
在线性放大器中，输出信号=A×输入信号，其中A是放大系数或增益
四种类型的放大器增益：
- 电压(输出电压/输入电压)
- 电流(输出电流/输入电流)
- 跨阻(输出电压/输入电流)
- 跨导(输出电流/输入电压)
大多数运算放大器都是电压放大器，但是其内部涉及多种放大器
用戴维南定理推导放大器模型：
输入端口是无源的，自身不产生电压，戴维南等效元件为电阻元件Ri；将输出端口建模为一个受控电压源AVi，输出电阻为R0
![[具有源负载的放大器戴维南模型_图片清晰化.png]]
内部原理
经过简化的运算放大器包含三个基本元件：
- 输入级：放大输入差值 Vp − Vn ，并将其转换为单端信号
- 中间级：进一步放大信号并提供频率补偿
- 输出级：提供输出驱动功能
![[运放结构框图_图片清晰化1.png]]
![[简化运算放大器电路图_图片清晰化.png]]
输入级(跨导放大器)
输入级的对称性是其运行的关键。每个晶体管对(Q1-Q2 和 Q3-Q4)都尽可能匹配。
Q3是二极管连接的（将三极管连接成二极管，在电路中起温度补偿作用（温度升高，基极变低，从而稳定温度对Q4的影响），将集电级和基极连接），迫使Q3 中的集电极电流等于 IC1。Q3 和 Q4 的基极-发射极结是并联的，它们具有相同的 VBE。由于 Q4 与 Q3 匹配，因此其集电极电流也等于 IC1。该电流称为电流镜
电流源 2IE 在 Q1 和 Q2 之间进行分配。该分配取决于输入电压 Vp 和 Vn。
- 当 Vp 比 Vn 更加正向时，Q1 承载的电流大于 Q2，且 IC1 大于 IC2。Q3-Q4 的电流镜作用使 IOUT1 流入 Q2-Q4 的集电极-集电极结。
- 当 Vn 比 Vp 更加正向时，Q2 承载的电流大于 Q1，且 IC2 大于 IC1。Q3-Q4 的电流镜作用使 IOUT1 流出 Q2-Q4 的集电极-集电极结。
IOUT1是第一级输出的单端信号，与差分输入Vp - Vn成正比。IOUT1 = gm1(Vp - Vn)。gm1称为输入级的跨导。
中间级(跨阻放大器)
将IOUT1转换为电压并提供频率补偿。
- 如果 IOUT1 流入 Q2-Q4 的集电极-集电极结，则第二级输出电压被驱动为正电压。
- 如果 IOUT1 流出 Q2-Q4 的集电极-集电极结，则第二级输出电压被驱动为负电压。
电容器 Cc 提供内部频率补偿。使增益随频率的增加而下降。如果没有 Cc ，则需要在大多数应用中采用外部补偿，以防止运算放大器振荡。
输出级(电流放大器)
典型的AB类推挽式放大器。
Q6 和 Q7 的发射极跟随器配置以单位电压增益为输出负载提供电流驱动。
推挽放大电路
定义：一种电子电路，使用以特定方式连接的有源器件，可以在需要时交替提供电路并从连接的负载吸收电流，用于向负载提供大功率，也被称为推挽放大器。
构成：由2个晶体管组成，一个是NPN型，一个是PNP型。一个晶体管在正半周期推动输出，另一个在负半周期拉动输出，因此被称为推挽放大器。
优点：当没有信号时，输出晶体管没有功耗。
A类放大器
最常见的功率放大器配置，仅由一个设置为始终保持导通状态的开关晶体管组成，产生最小的失真和最大幅度的输出信号。
缺点：A类放大器的效率很低，接近30%。即使没有连接输入信号，A类放大器的级也允许相同数量的负载电流流过它，因此输出晶体管需要大散热器
B类放大器
是实际的推挽放大器。由两个晶体管NPN和PNP组成，效率高于A类放大器。
偏置：每个晶体管将在输入波形的一个半周期内工作，导通角为180度
交叉失真
B类通常受到交叉失真影响，其中信号在0V失真。
晶体管需要在其基极-发射极结处提供0.7V的电压才能将其打开。因此，当交流输入电压施加到推挽放大器时，它从0开始增加，直到达到0.7V，晶体管保持关断状态，没有得到任何输出。PNP晶体管在交流波的负半周也会发生，这被称为死区。
交叉失真缺陷可以通过使用两个在晶体管位置导通的二极管来校正，修改后的电路称为AB类放大器电路
AB类放大器
利用A类和B类放大器电路的特性制成的电路
从0V到0.7V，二极管偏置在导通状态，此时晶体管在基极没有信号。这解决了交叉失真问题。
工作原理
理想运放(ideal op amp)
| 假设 | 符号 | 值 | 解释 | 实际运放 |
|---|---|---|---|---|
| 增益 | α | ∞ | 使输出电压达到任意值来满足输入条件 | 输出电压接近电源轨时出现饱和现象 |
| 输入电流 | IIN | 0 | 虚断 | 场效应管输入几乎成立，输入电流可以小到1pA以下，双极型高速运放不一定成立，输入电流可能达到几十uA |
| 输入阻抗 | ZIN | ∞ | ||
| 误差电压 | VE | 0 | 增益级驱动输出电压，使得两个输入引脚之间的电压为零 | 虚短 |
| 输入失调电压 | VOS | 0 | ||
| 输出阻抗 | ZOUT | 0 | 能够驱动阻抗任意小的负载，而不在其自身的输出阻抗上产生压降 | 大部分运放，对于较小的输出电流，输出阻抗一般为几分之一欧姆 |
| 频率响应 | 平 | 增益不随频率增加而变化 | 增益是频率的函数，直流下增益很大，频率较高时增益较小 | |
| 重新绘制上面的放大器模型 | ||||
| ![[标准运算放大器符号_图片清晰化.png]] | ||||
| 运算放大器是差分转单端放大器，放大输入端口上的电压差Vd = Vp - Vn ，并在以接地为基准的输出端口上产生电压Vo；输入和输出端口上仍有负载效应。 | ||||
| 理想模型做出三个简化假设： |
- 增益为无穷大
α = ∞ - 输入电阻为无穷大
Ri = ∞ - 输出电阻为零
Ro = 0
将这些假设应用于运算放大器模型得到下图的理想运算放大器模型
![[理想运算放大器模型_图片清晰化.png]]
使用理想运算放大器模型可以推导出其他简化：
→ In = Ip = 0
由于Ri = ∞ ，因此假设 In = Ip = 0 。输入端没有负载效应
→ Vo = a Vd
由于 Ro = 0,因此输出端没有负载效应
→ Vd = 0
如果运算放大器以线性方式运行,则 V0 必须为有限电压。根据定义,Vo = Vd × a。经过变换后可得到 Vd = Vo/a。由于 a = ∞,因此 Vd = Vo/∞ = 0。这是虚拟短路概念的基础
→ 共模增益 = 0
驱动输出端口的理想电压源仅取决于其输入端口上的电压差。它抑制任何由 Vn 和 Vp 共用的电压。
→ 带宽 = ∞
→ 压摆率 = ∞
假设不存在频率依赖性
→ 漂移 = 0
性能不随时间、温度、湿度、电源变化等发生变化。
虚断
![[虚断电路.png]]
假如给运放的输入端加电压，流入流出运放的输入管脚的电流为0，相当于断路；但是运放还会感应输入端电压，不是真的断路，因此称为虚断
虚断跟把运放接成什么样的电路没有关系,只要是个集成运放,都可以运用虚断来分析
实际运放输入端还是有电流的,只是相当小。
如果外部电阻实在太大,导致电阻电流接近或者超过运放的输入端微小电流，虚断还是会失效的
虚短
![[虚短电路2.png]]
虚短使用有两个条件
a、电路为负反馈电路
b、运放工作在线性放大区
放大器是这样一个装置
它总是将输入电压放大 Auo 倍
即总满足:Uo=Au*(u+ - u-)
假如供电只有 3.3V
输出超不过 5V
此时放大器工作在饱和区
1 | 运放会在力所能及的范围内改变其输出电压，以使它的两个输入端保持电压相等 |
经典应用电路
同相放大电路
反相放大电路
加法器
差分放大器
关键参数
输入失调电压(input offset voltage)与漂移
欲抵消运放内部的直流失调而需要加在输入端的电压
如果输入级完全对称且晶体管完全匹配,则 VIO = 0
由于工艺偏差,几何形状和掺杂永远无法做到完全精确
需要在反相输入和同相输入之间提供一个小电压来平衡不匹配，符号为VIO(VOS)
VIO是折合到输入电压的参数，会受到电路的放大
对精密直流应用很重要，对交流应用可能无关紧要
输入失调电压的平均温度系数：dVOS/dT(μV/°C)
输入失调电压的长期漂移：(mV/月)
输入失调电流(input offset current)
输入偏置电流(input bias current)
增益裕量(gain margin)与相位裕量(phase margin)
压摆率(slew rate)
增益带宽积(gain bandwidth product)
共模抑制比(common-mode rejection ratio)
电源抑制比(power supply rejection ratio)
选型与实战
单电源供电与双电源供电
发展历史
1、出于保障信号放大线性度的要求，最开始运放都是双电源供电，一个正电源一个负电源且绝对值相同；
2、后来为了应变便携设备低功耗的需求，不少厂家就推出了单电源供电的运放来适应这种减少电源个数降低电源电压的节能需求，原有的双电源供电功能仍然保留；
3、近年来，有出现了纯粹的单电源供电（不能使用双电源）的运算放大器。（比较少，需要找）
4、双电源运放，只能用双电源
总结：单的一般能用双的，双的用单的会有问题
供电方式选择+
首先，运放分为单电源运放和双电源运放
在运放的datasheet上，如果电源电压写的是(+3V+30V)/(±1.5V±15V)如324，则这个运放就是单电源运放，既能够单电源供电，也能够双电源供电；
如果电源电压是(±1.5V~±15V)如741，则这个运放就是双电源运放，仅能采用双电源供电。
但是，在实际应用中，这两种运放都能采用单电源、双电源的供电模式。
具体使用方式如下：
- 在放大直流信号时
如果采用双电源运放，则最好选择正负双电源供电，否则输入信号幅度较小时，可能无法正常工作；
如果采用单电源运放，则单电源供电或双电源供电都可以正常工作； - 在放大交流信号时
无论是单电源运放还是双电源运放，采用正负双电源供电都可以正常工作；
无论是单电源运放还是双电源运放，简单的采用单电源供电都无法正常工作。
对于单电源运放，表现为无法对信号的负半周放大，而双电源运放无法正常工作。要采用单电源，就需要所谓的“偏置”，而偏置的结果是把供电所采用的单电源相对的变成“双电源”。具体电路如图：首先，采用耦合电容将运放电路和其他电路直流隔离，防止各部分直流电位的相互影响。然后在输入点上加上Vcc/2的直流电压，分析一下各点的电位，Vcc是Vcc,in是Vcc/2,－Vcc是GND，然后把各点的电位减去Vcc/2，便成了Vcc是Vcc/2，in是0，－Vcc是－Vcc/2，相当于是“双电源”！！在正式的双电源供电中，输入端的电位相对于输入信号电压是0，动态电压是Vcc是＋Vcc,in是0＋Vin,－Vcc是-VCC，而偏置后的单电源供电是Vcc是＋Vcc,in是Vcc/2+Vin,－Vcc是GND,相当于Vcc是Vcc/2,in是0+Vin,－Vcc是－Vcc/2,与双电源供电相同，只是电压范围只有双电源的一半，输出电压幅度相应会比较小。当然，这里面之所以可以相对的分析电位，是因为有了耦合电容的隔直作用，而电位本身就是一个相对的概念。
