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模拟电子技术基础的第一课讲的是晶体管放大电路，涉及了静态计算，动态分析，输入输出电阻等，设计一个完美的晶体管放大电路设计了比较多的运算和分析，而同样为了实现放大功能，运算放大电路显得更成熟易用，运算放大电路是由集成运放和少量外围电阻组成的，有时还有外部电容，只要简单选型一款合适的运放，计算外部几个电阻的取值，就可以实现我们电类竞赛运放模块的大部分的放大需求，本文基于我的学习笔记和竞赛运放模块设计制作经验，想要总结一篇入门级的运放讲解推文

集成运放简介

下图是运算放大器的电路符号，一共有五个引脚，按照下图，2脚末端有个符号是运放的反相输入端，3脚末端对应了正号是运放的同相输入端，也就是说一路运放有两个输入端，一路运放的意思是，很多运放芯片内部有多个下图这样的三角形带引脚符号，我们学习运放单看一路，那么两个输入端是什么意思呢，像别的比如12V转5V的降压电路，只有一个输入不是吗，其实像直流开关电源电路也不是一个输入端，也算是两个输入端，只不过负极输入端接了GND作为地电位，运放的两个输入端，可以选择一端通过电阻接地，那么另一端可以通过电阻接入输入信号，道理是一样的，运放还经常用于各种差分信号的处理，因此设计成同相反相两个输入端便于应用

差分信号：指两端信号电位做差得到的幅度值信号，一般信号电位都是对地的，所以简称为这个点的电压，两个对地电位不同的信号之间做差，这个幅度的差值作为一个新的信号，就叫做差分信号

共模信号/共模电压：指两个信号的平均值，即两点信号电压相加除以二，有时表现为交变非正弦信号的平均值，有时表现为脉动直流电的几何中心值，或者是某一交流信号的直流干扰，叫做共模干扰

1脚是运放的输出端，输出端只有一个引脚，那这个输出信号是相对哪个参考电平来说的呢，这时由另外两个引脚决定的，即4脚和8脚，一般来说，更靠近同相输入端的4脚为正供电端，更靠近反相输入端的8脚位负供电端，当4脚接正的直流供电如+5V，+9V，+12V，而8脚接地时，我们可以画一个第一象限的图像，在x=0V和x=+VCC之间划定范围，1脚输出信号就在这两条横线的范围上下移动，假如输入的是交流信号，输出交流信号肯定不是才0V上下波动了，因为0V以下的电压会因为供电限制而被削除，这种也叫输出失真，但是现在直接输入交流信号引起的这样的失真完全是自己设计的问题，在实际单电源（即+5V和GND供电）运放电路的输入信号还会加载参考电压，不论直接用基准芯片产生参考电压还是从供电+5V用电阻分压产生参考电压

当供电为±5V或者±12V等时就是双电源供电，输出信号可以在±5V的范围内上下变化，这时不用加载参考电压，并且通常会输出串联耦合电容来滤除直流共模干扰

集成运放实际上内部也是由大量晶体管组成的，集成运放组成的放大电路完全能够实现很多需要搭建晶体管放大电路来实现的功能，集成运放能实现的电路功能，搭建晶体管也一样能实现，但是一些晶体管分立元件搭建的电路，不一定能够选型出现有的集成运放来实现，不过对于信号放大一般使用集成运放是方便快捷的，集成运放内部电路可以简单的分为三大结构：

输入级：差分接法，运放的两个输入端在内部是由集体管组成的差分接法，为运放提供了超高的输入电阻，高共模抑制比等优点

中间级：共射接法，运放内部有一级或多级共射晶体管放大电路提供了超高电压增益，以及电平移位的功能

输出级：互补共集接法，负载能力大，输出电阻小

上世纪七十年代在美国的仙童半导体公司先后发明了uA709和uA741两款集成运放，提供了优异的参数和新颖的设计，极大推动的技术的进步，我们刚刚简单介绍了集成运放，想要开始掌握运放，本文将从以下几点进行介绍：理想运放和负反馈，基础的运放电路和，运放的参数指标，实用运放方案，基于OPA2350的信号放大电路和差分放大电流检测电路

理想运放引入负反馈

在讲理想运放的特点之前，先给出运放的输入输出关系式：Vo=Auo*（V+ - V-），即运放输出电压等于同相输入电压减反相输入电压再乘以开环放大倍数Auo，当一个运放是理想运放时，开环增益Auo=∞，且输入电阻无穷大，实际生产的运放会尽可能的增大开环增益和输入阻抗，以靠近理想运放，但是基础的运放电路不是这么用的，运放可以配合外部电阻形成反馈，从而推出目标输入输出关系，形成反馈后可以方便的由外部电阻设定闭环增益Auf，我们常用的闭环方式是负反馈，也就是把输出端通过反馈电阻接回到反相输入端，这么做的理由可以通过下图的推导理解：

上图是通过Rg和Rf组成的分压器把输出电压Vo反馈到反相输入端，设反相输入端电位为Vx，同相输入端有输入电压为Vs，这个电路就是最简单的同相输入负反馈运算放大电路，简称为同相放大器，式中Auf是闭环增益，通过计算得到Auf=1+Rf/Rg，也就是说这个同相放大器的输入输出关系式是：Vo=Vs*（1+Rf/Rg），这样我们就实现了通过设定Rf和Rg两个精密电阻就可以精确的控制输出，同时运放本身越接近理想运放，参数越优异，放大效果就越好，另外，这个电路因为引入的负反馈，在上式的推导过程中除了基本的基尔霍夫定律，还用到了两个非常重要的运放负反馈特性：

虚短：运放电路引入深度负反馈时，同相输入端和反相输入端电位相等，即V+等于V-，但是不是真的短路在一起，叫做虚短

虚断：运放电路引入深度负反馈时，同相输入端和反相输入端都没有电流流入流出，即I+等于I-等于0，但是不是真的断路，叫做虚断

我们常用以上称为“虚短虚断法”的方式推导负反馈运算放大电路，应用非常广泛，同时可以拓展学习以下方框法解运放电路，本文不涉及

几种基本运放电路

同相放大器

下图是同相放大器基础电路，输入信号加载到同相输入端，供电引脚省略未画，根据虚短虚断法切解出放大器增益如下图

反相放大器

跟同相放大器一样，反相放大器也是一个比较基础的可实用的放大电路，只需要一款通用运放加1%精度的电阻就可以搭建一个性能较好的反相放大电路

减法器/差动放大器

根据运放差分输入的特性，搭建如下图所示的减法器，可以对差分电压进行放大，当下图左边的四个电阻中R1=R3=RA，R2=R4=RB时，减法器的输出关系式可以化简为下图右式，称为差动放大器，有一些集成差动放大器芯片内部的RA和RB为匹配良好的精密电阻，能够很便利的进行差分电压的放大，因此差动放大电路经常可用于电流检测，电流检测的原理是这样的：输出串联一个采样电阻，这个采样电阻值很小且精度很高，输出负载电流流经采样电阻产生一个很小的精确的电压，通过差动放大器放大采样电阻两端的差分电压到一个ADC可接受的值，采样后进行处理就可以倒退出输出负载电流的值，下下图是一种差分放大电流用于电流检测的示例，R24和C24用于输出滤波

运放的参数指标

失调电压

理想运放在引入负反馈后是虚短的，实际运放接成运放电路之后，就算输入信号为0，输出也不为0，因为运放两个输入端存在一个小的电压差，称为输入失调电压，经过运放开环增益放大以后导致输出信号产生输出失调电压，这时如果要求输出绝对精确就需要对输入失调电压进行调零，对于交流输入信号，失调电压会导致输出信号直流电平移位，因此可以通过调零或者通过输出串联耦合电容消除影响，如果在直流放大场合不希望失调电压的影响，就应该选用失调电压较小的运放，这个参数才数据手册里一般标注为Vos，与此相关的一些参数有温漂，时漂，压漂，分别指的是输入失调电压随器件温度产生漂移，失调电压随时间产生漂移，失调电压随供电电压产生漂移，因为这些参数的存在，才使得应对失调电压最好的办法是选取参数优异的运放而不是不断调零

如果需要对失调电压进行分析，那么可以在同相输入端加一个标注输入失调电压的电压源，先把两个输入端对地短接，调整同相输入端加载的电压源直到输出电压为0V，这个电压就是输入失调电压Vos，串联在同相输入端内部

输入失调电流

实际运放两个输入端也不是绝对虚断的，它们会存在微量的输入漏电流，定义两个输入端流进电流为正，两个漏电流从差值称为运放的输入失调电流，同时，两个漏电流取绝对值之后求平均得到的共模电流称为输入偏置电流，这个输入偏置电流的主要影响在于，如果输入端串联了电阻或者对地接有电阻，那么偏置电流就会在电阻上产生压降，这个压降同失调电压一起被运放放大对输出产生影响

至轨电压

运放的供电方式分为单电源供电和双电源供电，不论哪种供电方式，运放的输出电压是绝对不会超过供电电源电压轨的，因此，在供电电压满足运放“绝对最大平均值”的情况下，引入至轨电压，这个参数定义为输出电压的最大值与供电电压的差距，比如运放供电电压是±12V，当运放输出电压最大达到11V时，这个运放的至轨电压就是1V，当运放的至轨电压小于1V或者比较小，可以被设计接受时，称这个运放是“轨至轨”的，这样的运放算是性能不错的

共模抑制比

共模抑制比英文简称为CMRR，因为运放是差分输入的，因此我们要的是差模放大增益，但是输入信号也会存在共模电压，由此产生的共模放大增益是我们不想要的，CMRR越高的运放，差模增益与共模增益的差距越大，以至于共模增益产生的影响很小，可以忽略不计

开环增益

理想运放的开环增益为无穷大，实际运放的开环增益越大，输出电压值越准确，越接近理论计算值，现在的运放开环增益一般都比较大

带宽

运放也需要关注其频率特性，频率特性好的运放可以工作在很高的频率下而输出准确，不失真

压摆率

压摆率的英文简称为SR，表示输出电压的变化速率，压摆率越高的运放，输出电压变化越平滑果断，但是没有必要追求极致的压摆率，只需要覆盖输出电压的变化速率就可以了，这样可以尽可能的降低输出电压的失真度

谐波失真

下图是OPA2350数据手册中的谐波失真与频率对照图，图中展示了二次谐波与三次谐波随频率变化的谐波失真度，dBc是谐波相比于基波的倍率的一个变换单位，可以直接看上面的单位为%的常数，可见当频率越高时，二次谐波和三次谐波相比基波都变得越来越大，占基波的比例也越来越大，这就称为运放的谐波失真

运放输出一个正弦波时，往往不是一个标准的正弦波，实际输出的正弦波可以通过F变换得到一次基波（方波）和无数次的谐波（n=2，3，4，5...）我们常常计算到7次谐波，如下式所示，在示波器中，我们可以开启math模式进行F变换得到所测正弦波的各次谐波从而分析这个波形的谐波失真度，叫做THD，Total Harmonic Distortion，THD越小的正弦波，越接近理想正弦波，输出失真度越小

热阻

总结

运算放大器的应用非常广泛，在理解了负反馈与虚短虚断法之后，就可以实际入手设计制作运放模块了，从最基础的比例放大电路，差分放大电路，到运放组成的更高级的比较器等电路都可以用上述方法分析，包括运放的选型也可大致参考，具体参数定义可以再进一步学习，感谢阅读