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【电子工程世界TB】运算放大器科普文章


许多教材和参考指南将运算放大器（运放）定义为可以执行各种功能或操作（如放大、加法和减法）的专用集成电路（IC） 。 虽然我同意这个定义 ， 但仍需注重芯片的输入引脚的电压 。
当输入电压相等时 ， 运算放大器通常在线性范围内工作 ， 而运算放大器正是在线性范围内准确地执行上述功能 。 然而 ， 运算放大器只能改变一个条件来使输入电压相等 ， 即输出电压 。 因此 ， 运算放大器的输出通常以某种方式连接到输入 ， 这种通常被称为电压反馈 。
在本文中 ， 我将解释一个通用电压反馈运算放大器的基本操作 ， 并请您参阅其他内容以了解更多信息 。
图1描述了运算放大器的标准示意图符号 。 有两个输入端（IN+, IN-）、一个输出端（OUT）和两个电源端（V+, V-） 。 这些端的名称可能因制造商而异 ， 甚至单个制造商也可能使用不同的名称 ， 但它们仍然是相同的五个端 。
例如 ， 您可能会看到Vcc或Vdd而不是V+ 。 又或者 ， 您可能会看到Vee或Vss而不是V- 。 电源端子的其他标签会有所不同 ， 因为它们指的是器件内部的晶体管类型 。 例如 ， 当在运算放大器内部使用双极结型晶体管（BJT）时 ， 电源对应于BJT的集电极和发射极：Vcc和Vee 。 在运算放大器内部使用场效应晶体管（FET）时 ， 电源标签与FET的漏极和源极相对应：Vdd和Vss 。 如今 ， 许多运算放大器同时包含BJT和FET ， 因此V+和V-是常见的标签 ， 与器件内部的晶体管无关 。 简言之 ， 不要太在意引脚标签 ， 只要理解它们的作用即可 。
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图1：通用型运算放大器示意图符号
等式1表示运算放大器的传递函数：
在等式1中 ， AOL被称为“开环增益” 。 在现代运算放大器中 ， 它通常是一个非常大的值（120 dB或1,000,000 V/V） 。 例如 ， 如果IN+和IN-之间的电压差仅为1mV ， 运算放大器将尝试输出1000V！在这种配置中 ， 运算放大器不在线性区域内工作 ， 因为输出不能使输入彼此相等（记住 ， 理想情况下In+等于In-） 。 因此 ， 运算放大器需要一种方法来控制开环增益 ， 即通过负反馈来实现 。
图2描述了作为反馈控制系统一部分的运算放大器 。 您会注意到输出OUT通过一个标记为?的块反馈到负输入IN- 。 ?被称为反馈因子 ， 通常使用电阻来降低输出电压 。
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图2：负反馈运算放大器
图3比较了开环运算放大器和负反馈运算放大器 。 这些TINA-TI?软件仿真电路采用的运放是近乎理想的运放 ， 加了电源来限制输出电压 。 注意 ， 对于左侧的开环配置 ， 输出几乎等于正电源（V+） 。 这是因为输入引脚之间有一个很小的差异（100mV） 。 这种小电压被开环增益放大 ， 开环增益会强制输出到其中一个电源电压 。 在图3右侧的负反馈或闭环电路中 ， 运算放大器输出上的分压器需要200 mV的输出电压 ， 以便使反相和同相输入相等 。
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图3：开环（左）与负反馈（右）
输入电压的放大称为增益 。 它是反馈回路中电阻值的函数 。 等式2描述了图3中右边电路的增益方程 ， 这就是所谓的同相放大器 。 您将看到计算出的输出电压与仿真相符 。 如果您想要了解有关此电路（以及其他常见的运算放大器电路 ， 如缓冲器、同相放大器和差分放大器）的更多信息 ， 您可以下载电子书“模拟工程师电路指南：放大器” 。 ”
运算放大器的输出受到电源电压的限制 。 图4是图3中同相放大器的输出电压与输入电压的关系图 。 注意当输出接近正负电源时 ， 输出由于饱和受限 。


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