史上最全运放运算放大器知识讲解

原文：http://www.sohu.com/a/154282071_755644

调节和放大模拟信号，它是用途十分广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器滤波器的供应商、振荡器振荡器的供应商及电压比较器比较器 的供应商。其应用领域已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个领域，并将在未来技术方面扮演重要角色。

运算放大器的分类

运算放大器按参数可分为如下几类：

通用型运算放大器：主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。

低温漂型运算放大器：在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。

高阻型运算放大器：特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid＞1GΩ~1TΩ,IB为几皮安到几十皮安。

高速型运算放大器：主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。

低功耗型运算放大器：由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。

高压大功率型运算放大器：运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。

可编程控制运算放大器：在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出,就必须改变运算放大器得放大倍数。

运算放大器的工作原理

运算放大器具有两个输入端和一个输出端，如图1-1所示，其中标有“+”号的输入端为“同相输入端”而不能叫做正端)，另一只标有“一”号的输入端为“反相输入端”同样也不能叫做负端，如果先后分别从这两个输入端输入同样的信号，则在输出端会得到电压相同但极性相反的输出信号：输出端输出的信号与同相输人端的信号同相，而与反相输入端的信号反相。

运算放大器所接的电源可以是单电源的，也可以是双电源的，如图1-2所示。运算放大器有一些非常有意思的特性，灵活应用这些特性可以获得很多独特的用途，总的来说，这些特性可以综合为两条：

1、运算放大器的放大倍数为无穷大。

2、运算放大器的输入电阻为无穷大，输出电阻为零。

现在我们来简单地看看由于上面的两个特性可以得到一些什么样的结论。

首先，运算放大器的放大倍数为无穷大，所以只要它的输入端的输入电压不为零，输出端就会有与正的或负的电源一样高的输出电压本来应该是无穷高的输出电压，但受到电源电压的限制。准确地说，如果同相输入端输入的电压比反相输入端输入的电压高，哪怕只高极小的一点，运算放大器的输出端就会输出一个与正电源电压相同的电压;反之，如果反相输入端输入的电压比同相输人端输入的电压高，运算放大器的输出端就会输出一个与负电源电压相同的电压(如果运算放大器用的是单电源，则输出电压为零)。

其次，由于放大倍数为无穷大，所以不能将运算放大器直接用来做放大器用，必须要将输出的信号反馈到反相输入端(称为负反馈)来降低它的放大倍数。如图1-3中左图所示，R1的作用就是将输出的信号返回到运算放大器的反相输入端，由于反相输入端与输出的电压是相反的，所以会减小电路的放大倍数，是一个负反馈电路，电阻Rf也叫做负反馈电阻。

还有，由于运算放大器的输入为无穷大，所以运算放大器的输入端是没有电流输入的——它只接受电压。同样，如果我们想象在运算放大器的同相输入端与反相输入端之间是一只无穷大的电阻，那么加在这个电阻两端的电压是不能形成电流的，没有电流，根据欧姆定律，电阻两端就不会有电压，所以我们又可以认为在运算放大器的两个输人端电压是相同的(电压在这种情况就有点像用导线将两个输入端短路，所以我们又将这种现象叫做“虚短”)。

常用运算放大器电路

1、InverterAmp.反相位放大电路:

放大倍数为Av=R2/R1但是需考虑规格之Gain-Bandwidth数值。

R3=R4提供1/2电源偏压

C3为电源去耦合滤波

C1,C2输入及输出端隔直流

此时输出端信号相位与输入端相反

2、Non-inverterAmp.同相位放大电路:

放大倍数为Av=R2/R1

R3=R4提供1/2电源偏压

C1,C2,C3为隔直流

此时输出端信号相位与输入端相同

3、Voltagefollower缓冲放大电路:

O/P输出端电位与I/P输入端电位相同

单双电源皆可工作

4、Comparator比较器电路:

I/P电压高于Ref时O/P输出端为Logic低电位

I/P电压低于Ref时O/P输出端为Logic高电位

R2=100*R1用以消除Hysteresis状态,即为强化O/P输出端,Logic高低电位差距，以提高比较器的灵敏度.(R1=10K,R2=1M)

单双电源皆可工作

5、Square-waveoscillator方块波震荡电路:

R2=R3=R4=100K

R1=100K,C1=0.01uF

Freq=1/（2π*R1*C1）

6、Pulsegenerator脉波产生器电路:

R2=R3=R4=100K

R1=30K,C1=0.01uF,R5=150K

O/P输出端OnCycle=1/（2π*R5*C1）

O/P输出端OffCycle=1/（2π*R1*C1）

7、Activelow-passfilter主动低通滤波器电路:

R1=R2=16K

R3=R4=100K

C1=C2=0.01uF

放大倍数Av=R4/(R3+R4)

Freq=1KHz

8、Activeband-passfilter主动带通滤波器电路:

R7=R8=100K,C3=10uF

R1=R2=390K,C1=C2=0.01uF

R3=620,R4=620K

Freq=1KHz,Q=25

9、High-passfilter高通滤波器电路:

C1=2*C2=0.02uF,C2=0.01uF

R1=R2=110K

6dBLow-cutFreq=100Hz

10、Adj.Q-notchfilter频宽可调型滤波器电路:

R1=R2=2*R3

C1=C2=C3/2

Freq=1/（2π*R1*C1)

VR1调整负回授量,越大则Q值越低。（表示频带变宽，但是衰减值相对减少。）

R1,R2,R3,C1,C2,C3为Twin-Tfilter结构。

11、Wien-bridgeSine-waveOscillator文桥正弦波震荡电路:

R1=R2,C1=C2

R3与D1,D2Zener产生定点压负回授

Freq=1/（2π*R1*C1)

D1与D2可使用Lamp效果更佳（产生阻抗负变化系数）

12、Peakdetector峰值检知器电路:(范例均为正峰值检知)

本电路仅提供思维参考用(右方电路具放大功能)

Eo=Ei*(R4+R3)/R3

S1为连续取样开关，因应峰值不断的变化。

13、Positive-peakdetector正峰值检知器电路:

R1=1K,R2=1M,C1=10uF

只有在I/P电位高于OP-端电位时,才能使Q1导通,O/P电位继续升高.

正峰值必须低于电源正值，所得数据为最高值。

14、Negative-peakdetector负峰值检知器电路:

R1=1M,C1=10uF

只有在I/P电位低于OP-端电位时,O/P电位继续降低.

负峰值必须高于电源负值，所得数据为最高值。

15、RMS(Absolutevalue)detector绝对值检知器电路:

不论I/P端极性为何,皆可由O/P端输出,若后端再接上正峰值检知器电路,即可取得RMS数值.

经典运放电路分析

从虚断，虚短分析基本运放电路

运算放大器组成的电路五花八门，令人眼花瞭乱，是模拟电路中学习的重点。在分析它的工作原理时倘没有抓住核心，往往令人头大。为此本人特搜罗天下运放电路之应用，来个“庖丁解牛”，希望各位看完后有所斩获。

遍观所有模拟电子技朮的书籍和课程，在介绍运算放大器电路的时候，无非是先给电路来个定性，比如这是一个同向放大器，然后去推导它的输出与输入的关系，然后得出Vo=(1+Rf)Vi，那是一个反向放大器，然后得出Vo=-Rf*Vi……最后学生往往得出这样一个印象：记住公式就可以了！如果我们将电路稍稍变换一下，他们就找不着北了！

今天，教各位战无不胜的两招，这两招在所有运放电路的教材里都写得明白，就是“虚短”和“虚断”，不过要把它运用得出神入化，就要有较深厚的功底了。

虚短和虚断的概念

由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14V。因此运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。

“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。

由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。

在分析运放电路工作原理时，首先请各位暂时忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、减法器，什么差动输入……暂时忘掉那些输入输出关系的公式……这些东东只会干扰你，让你更糊涂﹔也请各位暂时不要理会输入偏置电流、共模抑制比、失调电压等电路参数，这是设计者要考虑的事情。我们理解的就是理想放大器（其实在维修中和大多数设计过程中，把实际放大器当做理想放大器来分析也不会有问题）。

好了，让我们抓过两把“板斧”------“虚短”和“虚断”，开始“庖丁解牛”了。

1）反向放大器：

图一运放的同向端接地=0V，反向端和同向端虚短，所以也是0V，反向输入端输入电阻很高，虚断，几乎没有电流注入和流出，那么R1和R2相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的，即流过R1的电流和流过R2的电流是相同的。

流过R1的电流：I1=(Vi-V-)/R1………a

流过R2的电流：I2=(V--Vout)/R2……b

V-=V+=0………………c

I1=I2……………………d

求解上面的初中代数方程得Vout=(-R2/R1)*Vi

这就是传说中的反向放大器的输入输出关系式了。

2）同向放大器

图二中Vi与V-虚短，则Vi=V-……a

因为虚断，反向输入端没有电流输入输出，通过R1和R2的电流相等，设此电流为I，由欧姆定律得：I=Vout/(R1+R2)……b

Vi等于R2上的分压，即：Vi=I*R2……c

由abc式得Vout=Vi*(R1+R2)/R2这就是传说中的同向放大器的公式了。

3）加法器1：

图三中，由虚短知：V-=V+=0……a

由虚断及基尔霍夫定律知，通过R2与R1的电流之和等于通过R3的电流，故(V1–V-)/R1+(V2–V-)/R2=(V-–Vout)/R3……b

代入a式，b式变为V1/R1+V2/R2=Vout/R3如果取R1=R2=R3，则上式变为-Vout=V1+V2，这就是传说中的加法器了。

4）加法器2：

请看图四。因为虚断，运放同向端没有电流流过，则流过R1和R2的电流相等，同理流过R4和R3的电流也相等。

故(V1–V+)/R1=(V+-V2)/R2……a

(Vout–V-)/R3=V-/R4……b

由虚短知：V+=V-……c如果R1=R2，R3=R4，则由以上式子可以推导出V+=(V1+V2)/2V-=Vout/2故Vout=V1+V2也是一个加法器，呵呵！

5）减法器

图五由虚断知，通过R1的电流等于通过R2的电流，同理通过R4的电流等于R3的电流，故有(V2–V+)/R1=V+/R2……a

(V1–V-)/R4=(V--Vout)/R3……b

如果R1=R2，则V+=V2/2……c

如果R3=R4，则V-=(Vout+V1)/2……d

由虚短知V+=V-……e

所以Vout=V2-V1这就是传说中的减法器了。

6）积分电路：

图六电路中，由虚短知，反向输入端的电压与同向端相等

由虚断知，通过R1的电流与通过C1的电流相等。

通过R1的电流i=V1/R1

通过C1的电流i=C*dUc/dt=-C*dVout/dt

所以Vout=((-1/(R1*C1))∫V1dt输出电压与输入电压对时间的积分成正比,这就是传说中的积分电路了。

若V1为恒定电压U，则上式变换为Vout=-U*t/(R1*C1)t是时间，则Vout输出电压是一条从0至负电源电压按时间变化的直线。

7）微分电路：

图七中由虚断知，通过电容C1和电阻R2的电流是相等的，

由虚短知，运放同向端与反向端电压是相等的。

则：Vout=-i*R2=-(R2*C1)dV1/dt

这是一个微分电路。

如果V1是一个突然加入的直流电压，则输出Vout对应一个方向与V1相反的脉冲。

8）差分放大电路

由虚短知Vx=V1……a

Vy=V2……b

由虚断知，运放输入端没有电流流过，则R1、R2、R3可视为串联，通过每一个电阻的电流是相同的，电流I=(Vx-Vy)/R2……c

则：Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3)=(Vx-Vy)(R1+R2+R3)/R2……d

由虚断知，流过R6与流过R7的电流相等,若R6=R7，则Vw=Vo2/2……e

同理若R4=R5，则Vout–Vu=Vu–Vo1，故Vu=(Vout+Vo1)/2……f

由虚短知，Vu=Vw……g

由efg得Vout=Vo2–Vo1……h

由dh得Vout=(Vy–Vx)(R1+R2+R3)/R2上式中(R1+R2+R3)/R2是定值，此值确定了差值(Vy–Vx)的放大倍数。

这个电路就是传说中的差分放大电路了。

9）电流检测：

分析一个大家接触得较多的电路。很多控制器接受来自各种检测仪表的0~20mA或4~20mA电流，电路将此电流转换成电压后再送ADC转换成数字信号，图九就是这样一个典型电路。如图4~20mA电流流过采样100Ω电阻R1，在R1上会产生0.4~2V的电压差。由虚断知，运放输入端没有电流流过，则流过R3和R5的电流相等，流过R2和R4的电流相等。故：

(V2-Vy)/R3=Vy/R5……a

(V1-Vx)/R2=(Vx-Vout)/R4……b

由虚短知：Vx=Vy……c

电流从0~20mA变化，则V1=V2+(0.4~2)……d

由cd式代入b式得(V2+(0.4~2)-Vy)/R2=(Vy-Vout)/R4……e

如果R3=R2，R4=R5，则由e-a得Vout=-(0.4~2)R4/R2……f

图九中R4/R2=22k/10k=2.2，则f式Vout=-(0.88~4.4)V，

即是说，将4~20mA电流转换成了-0.88~-4.4V电压，此电压可以送ADC去处理。

注：若将图九电流反接既得Vout=+(0.88~4.4)V，

10）电压电流转换检测：

电流可以转换成电压，电压也可以转换成电流。图十就是这样一个电路。上图的负反馈没有通过电阻直接反馈，而是串联了三极管Q1的发射结，大家可不要以为是一个比较器就是了。只要是放大电路，虚短虚断的规律仍然是符合的！

由虚断知，运放输入端没有电流流过，

则(Vi–V1)/R2=(V1–V4)/R6……a

同理(V3–V2)/R5=V2/R4……b

由虚短知V1=V2……c

如果R2=R6，R4=R5，则由abc式得V3-V4=Vi

上式说明R7两端的电压和输入电压Vi相等，则通过R7的电流I=Vi/R7，如果负载RL<<100KΩ，则通过Rl和通过R7的电流基本相同。

11）传感器检测：

来一个复杂的，呵呵！图十一是一个三线制PT100前置放大电路。PT100传感器引出三根材质、线径、长度完全相同的线，接法如图所示。有2V的电压加在由R14、R20、R15、Z1、PT100及其线电阻组成的桥电路上。Z1、Z2、Z3、D11、D12、D83及各电容在电路中起滤波和保护作用，静态分析时可不予理会，Z1、Z2、Z3可视为短路，D11、D12、D83及各电容可视为开路。由电阻分压知，V3=2*R20/(R14+20)=200/1100=2/11……a

由虚短知，U8B第6、7脚电压和第5脚电压相等V4=V3……b

由虚断知，U8A第2脚没有电流流过，则流过R18和R19上的电流相等。(V2-V4)/R19=(V5-V2)/R18……c

由虚断知，U8A第3脚没有电流流过，V1=V7……d在桥电路中R15和Z1、PT100及线电阻串联，PT100与线电阻串联分得的电压通过电阻R17加至U8A的第3脚，V7=2*(Rx+2R0)/(R15+Rx+2R0)…..e

由虚短知，U8A第3脚和第2脚电压相等，V1=V2……f

由abcdef得，(V5-V7)/100=(V7-V3)/2.2化简得V5=(102.2*V7-100V3)/2.2即V5=204.4(Rx+2R0)/(1000+Rx+2R0)–200/11……g

上式输出电压V5是Rx的函数我们再看线电阻的影响。Pt100最下端线电阻上产生的电压降经过中间的线电阻、Z2、R22，加至U8C的第10脚，

由虚断知，V5=V8=V9=2*R0/(R15+Rx+2R0)……a

(V6-V10)/R25=V10/R26……b

由虚短知，V10=V5……c

由式abc得V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/[2.2(1000+Rx+2R0)]……h

由式gh组成的方程组知，如果测出V5、V6的值，就可算出Rx及R0，知道Rx，查pt100分度表就知道温度的大小了。

运放典型应用电路及分析一览图

运算放大器主流厂商

1、美信(Maxim)

总部：美国

产品分类：运算放大器、电流检测放大器、比较器、特殊放大器

代理商：安富利、艾睿、Mouser、Digi-Key、WT Microelectronics、Pangaea、ECNET、Tomen Electronics、力源、丰艺、天涯泰盟、汇佳成、美尔达、卓越飞讯、粤原点、力拓欣、捷扬讯科、圣邦科技......

官网：www.maximintegrated.com

2、亚德诺半导体(ADI)

总部：美国

产品分类：ADC驱动器、差分放大器、仪表放大器、线性隔离器、运算放大器、RF放大器、RF功率检波器、专用放大器、可变增益放大器、视频放大器

代理商：Avnet、Arrow 、e络盟、大联大控股、Mouser、Digi-Key、威健国际、Rochester Electronics、世键、力源、新晔、康博、艾德万、恒诚、汇佳成、美尔达、瑜众达、驰创电......

官网：http://www.analog.com

3、思佳讯(Skyworks)

总部：美国

产品分类：CDMA功率放大器、COMS功率放大器、GSM/GPRS/EDGE功率放大器、LTE功率放大器等

代理商：Premier Farnell、AO-Electronics、Digi-Key、Arrow、安富利、文晔、益登、首科、睿查森、天阳......

官网：http://www.skyworksinc.com/

4、Qorvo

总部：美国

产品分类：3G/4G功率放大器、CATV放大器、CATV混合放大器模块、增益单元、高效功率放大器、高频放大器、高可靠性放大性、线性放大器、低噪声放大器、小型蜂窝功率放大器、可变增益放大器、WiFi功率放大器、驱动放大器、增益单元放大器、大功率放大器、功率放大器、功率放大器模块、宽频放大器

代理商：Premier Farnell、AO-Electronics、Digi-Key、Arrow

官网：http://www.qorvo.com/

5、德州仪器(TI)

总部：美国

产品分类：运算放大器、比较器、仪表放大器、电流感测放大器、可编程和可变增益放大器、特别功能放大器

官网：http://www.ti.com.cn/

6、微芯(Microchip)

总部：美国

产品分类：运算放大器、仪表放大器、比较器

代理商：Avnet、Arrow、e络盟、Mouser、Digi-Key、北高智科技、骏龙、Furture、威健国际、欧时电子、Rutronik（儒卓力）、贝能国际、胜电、彦阳科技、位元电子、世健系统、力源信息、禾琦商贸、集万讯电子、倍微科技股份、品佳集团、Myland Ltd

官网：http://www.microchip.com/

7、意法半导体(ST)

总部：意大利/法国

产品分类：比较器、电流感应放大器、视频放大器、运算放大器

代理商：Arrow、e络盟、Furture、欧时电子、文晔科技、友尚集团、Tomen Electronics、力源信息、威雅利集团、益登科技、Hakuto、Louis Yen Singapore Pte Ltd、安富利、威雅利、勤宏、富昌、艾德万......

官网：http://www.st.com

8、Intersil(被瑞萨Renesas收购)

总部：美国

产品分类：比较器、电流感测、差分放大器、显示放大器、增益块、高速运算放大器、仪表放大器、精密运算放大器、采样和保持放大器

代理商：中电器材、瑞凡微电子、武汉力源、Avnet、Digi-Key、element14、Future、GMI

官网：http://cn.intersil.com

9、安森美(On)

总部：美国

产品分类：运算放大器、音频放大器、视频放大器、跨导放大器、压缩扩展器、比较器

代理商：Arrow、Avnet、CEAC、Cytech、Future、DigiKey、骏龙、富昌、万瑞尔、广盛、芯恒......

官网：http://www.onsemi.cn

10、SG-MICRO（圣邦微电子）

总部：北京

产品分类：微功耗运算放大器、低功耗运算放大器、专用运算放大器、高速运算放大器、高精度运算放大器、低噪声运算放大器

官网：http://cn.sg-micro.com

11、恩智浦(NXP)

总部：荷兰

产品分类：低噪声放大器、中等功率放大器、宽带放大器、可变增益放大器

代理商：Arrow、Avnet、世平、益登、品佳、易达、润欣、周立功、增你强、威能、富昌、威凯特......

官网：http://www.nxp.com

12、英飞凌(Infineon)

总部：德国

产品分类：低噪声放大器

代理商：Avnet、Arrow、大联大控股、威健国际、易达电子、嵩森科技、英恒科技、恒星科技(香港)、品佳集团、贝能、增你强、世强、晶川、富昌、力源、艾德万......

官网：http://www.infineon.com

13、东芝(Toshiba)

总部：日本

产品分类：运算放大器、比较器

代理商：安富利、艾睿、世平、振远、时代、美达奇、绿屋、威雅利等等......

官网：http://www.toshiba.com.cn/