运算放大器工作原理,分类及特点介绍
1． 模拟运放的分类及特点

    模拟运算放大器从诞生至今，已有40多年的历史了。*早的工艺是采用硅NPN工艺，后来改进为硅NPN-PNP工艺（后面称为标准硅工艺）。在结型场效应管技术成熟后，又进一步的加入了结型场效应管工艺。当MOS管技术成熟后，*是CMOS技术成熟后，模拟运算放大器有了质的飞跃，一方面解决了低功耗的问题，另一方面通过混合模拟与数字电路技术，解决了直流小信号直接处理的难题。
    经过多年的发展，模拟运算放大器技术已经很成熟，性能曰臻完善，品种*多。这使得初学者选用时不知如何是好。为了便于初学者选用，本文对集成模拟运算放大器采用工艺分类法和功能/性能分类分类法等两种分类方法，便于读者理解，可能与通常的分类方法有所不同。

1．1．根据制造工艺分类
    根据制造工艺，目前在使用中的集成模拟运算放大器可以分为标准硅工艺运算放大器、在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放大器、在标准硅工艺中加入了MOS工艺的运算放大器。按照工艺分类，是为了便于初学者了解*工艺对集成模拟运算放大器性能的影响，快速掌握运放的特点。
    标准硅工艺的集成模拟运算放大器的特点是开环输入阻*低，输入噪声低、增益稍低、成本低，精度不太高，功耗较高。这是由于标准硅工艺的集成模拟运算放大器内部*采用NPN-PNP管，它们是电流型器件，输入阻*低，输入噪声低、增益低、功耗高的特点，即使输入级采用多种技术改进，在兼顾起啊挺能的前提下仍然无法*输入阻*低的问题，典型开环输入阻*在1M欧姆数量级。为了顾及频率特性，中间增益级不能过多，使得总增益偏小，一般在80~110dB之间。标准硅工艺可以结合激光修正技术，使集成模拟运算放大器的精度大大*，温度漂移指标目前可以*0.15ppm。通过变更标准硅工艺，可以设计出通用运放和*运放。典型代表是LM324。
    在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放大器主要是将标准硅工艺的集成模拟运算放大器的输入级改进为结型场效应管，大大*运放的开环输入阻*，顺带*通用运放的转换速度，其它与标准硅工艺的集成模拟运算放大器类似。典型开环输入阻*在1000M欧姆数量级。典型代表是TL084。
在标准硅工艺中加入了MOS场效应管工艺的运算放大器分为三类，一类是是将标准硅工艺的集成模拟运算放大器的输入级改进为MOS场效应管，比结型场效应管大大*运放的开环输入阻*，顺带*通用运放的转换速度，其它与标准硅工艺的集成模拟运算放大器类似。典型开环输入阻*在10^12欧姆数量级。典型代表是CA3140。

    第二类是采用全MOS场效应管工艺的模拟运算放大器，它大大降低了功耗，但是电源电压降低，功耗大大降低，它的典型开环输入阻*在10^12欧姆数量级。
第三类是采用全MOS场效应管工艺的模拟数字混合运算放大器，采用所谓斩波稳*技术，主要用于*直流信号的处理精度，输入失调电压可以* 0.01uV，温度漂移指标目前可以*0.02ppm。在处理直流信号方面接近理想运放特性。它的典型开环输入阻*在10^12欧姆数量级。典型产品是 ICL7650。

1．2．按照功能/性能分类
本分类方法参考了《中国集成电路大全》集成运算放大器。
按照功能/性能分类，模拟运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、精密运放、高输入阻*运放、*运放、宽带运放、高压运放，另外还有一些*运放，例如程控运放、电流运放、电压跟随器等等。实际上由于为了满足应用需要，运放种类*多。本文以上述简单分类法为准。
需要说明的是，随着技术的进步，上述分类的门槛一直在变化。例如以前的LM108*初是归入精密运放类，现在只能归入通用运放了。另外，有些运放同时具有低功耗和高输入阻*，或者与此类似，这样就可能同时归入多个类中。

通用运放实际就是具有*基本功能的*廉价的运放。这类运放用途广泛，使用量*大。

低功耗运放是在通用运放的基础上大降低了功耗，可以用于对功耗有限制的场所，例如手持设备。它具有静态功耗低、工作电压可以*接近电池电压、在低电压下还能保持良好的电气性能。随着MOS技术的进步，低功耗运放已经不是个别现象。低功耗运放的静态功耗一般低于1mW。
精密运放是指漂移和噪声*低、增益和共模抑制比*高的集成运放，也称作低漂移运放或低噪声运放。这类运放的温度漂移一般低于1uV/摄氏度。由于技术进步的原因，早期的部分运放的失调电压比较高，可能*1mV；现在精密运放的失调电压可以*0.1mV；采用斩波稳*技术的精密运放的失调电压可以*0.005mV。精密运放主要用于对放大处理精度有要求的地方，例如自控仪表等等。
高输入阻*运放一般是指采用结型场效应管或是MOS管做输入级的集成运放，这包括了全MOS管做的集成运放。高输入阻*运放的输入阻*一般大于109欧姆。作为高输入阻*运放的一个附带特性就是转换速度比较高。高输入阻*运放用途十分广泛，例如采样保持电路、积分器、对数放大器、测量放大器、带通滤波器等等。

*运放是指转换速度较高的运放。一般转换速度在100V/us以上。*运放用于*AD/DA转换器、*滤波器、*采样保持、锁相环电路、模拟乘*、*比较器、视频电路中。目前*高转换速度已经可以做到6000V/us。

宽带运放是指-3dB带宽（BW）比通用运放宽得多的集成运放。很多*运放都具有较宽的带宽，也可以称作*宽带运放。这个分类是相对的，同一个运放在不同使用条件下的分类可能有所不同。宽带运放主要用于处理输入信号的带宽较宽的电路。
高压运放是为了解决高输出电压或高输出功率的要求而设计的。在设计中，主要解决电路的耐压、动态范围和功耗的问题。高压运放的电源电压可以高于±20VDC，输出电压可以高于±20VDC。当然，高压运放可以用通用运放在输出后面外扩晶体管/MOS管来代替。

运算放大器原理 运算放大器原理

运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的运算放大器*须具备下列特性：无限大的 输入阻*、等于*的输出阻*、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。*基本的运算放大器如图1-1。一个运算放大器模组一般包括 一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。

                       图1-1

通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。原因是运算放大器的电压增益*大，范围从数百至数*不等，使用负反馈方可*电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能 连接成正回馈（positive feedback），相反地，在很多需要产生震荡讯号的系统中，正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。

开环回路

           图1-2开环回路运算放大器

开环回路运算放大器如图1-2。当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时，其输出与输入 电压的关系式如下：

Vout= (V+ -V-) *Aog

其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益（open-loop differential gai由于运算放大器的开环回路增益*高，因此就算输入端的差动讯号很小，仍然会让输出讯号「饱和」（saturation），导致非线性的失真出现。 因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中，少数的例外是用运算放大器做比较器（comparator），比较器的输出通常为逻辑准位元的「0」与 「1」。

闭环负反馈

将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可 以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入讯号进入放大器的端点，又可分为反相（inverting）放大器与非反相（non- inverting）放大器两种。

反相闭环放大器如图1-3。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无 限大，所以运算放大器的两输入端为虚接地（virtual ground），其输出与输入电压的关系式如下：

Vout = -(Rf / Rin) * Vin

               图1-3反相闭环放大器

非反相闭环放大器如图1-4。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为 无限大，所以运算放大器的两输入端电压差几乎为*，其输出与输入电压的关系式如下：

Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin

             图1-4非反相闭环放大器

闭环正回馈

将运算放大器的正向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在正回馈的状况，由于正回馈组态 工作于一*不稳定的状态，多应用于需要产生震荡讯号的应用中。 理想运放和理想运放条件

在分析和综合运放应用电路时，大多数情况下，可以将集成运放看成一个理想运算放大器。理想运 放顾名思义是将集成运放的各项技术指标理想化。由于实际运放的技术指标比较接近理想运放，因此由理想化带来的误差*小，在一般的工程计算中可以忽略。

理想运放各项技术指标具体如下：

1．开环差模电压放大倍数Aod= ∞；

2．输入电阻Rid= ∞；输出电阻Rod=0

3．输入偏置电流IB1=IB2=0 ；

4．失调电压UIO 、失调电流IIO 、失调电压温漂、失调电流温漂均为*；

5．共模抑制比CMRR= ∞；；

6．-3dB带宽fH = ∞   ；

7．无内部干扰和噪声。

实际运放的参数*如下水平即可以按理想运放对待：

电压放大倍数*104～105倍；输入电阻*105Ω；输出电阻小于几百欧姆； 外电路中的电流远大于偏置电流；失调电压、失调电流及其温漂很小，造成电路的漂移在允许范围之内，电路的稳定性*合要求即可；输入*小信号时，有*信噪 比，共模抑制比大于等于60dB；带宽*合电路带宽要求即可。

运算放大器中的虚短和虚断含意

理想运放工作在线性区时可以得出二条重要的结论：