[硬件电路-66]：模拟器件 - 运算符放大器内部组成与工作原理

运放放大器（运算放大器，Operational Amplifier，简称运放）是一种具有高电压增益、高输入阻抗、低输出阻抗的直流耦合多级放大电路，其核心功能是对输入信号进行线性放大，并通过外部反馈网络实现多种数学运算和信号处理功能。以下是运放的详细解析：

一、运放的核心特性

1. 高开环增益
   运放的开环电压增益通常高达105至107倍（即80dB至140dB），能将微小的输入电压差放大为显著的输出电压变化。

2. 虚短与虚断

   • 虚短：运放工作在线性区时，由于增益极高，两输入端电压几乎相等（V+​≈V−​），但无实际电流通过（类似短路但无电流）。
   • 虚断：输入阻抗极大（通常>1MΩ），输入端电流近似为零（I+​≈I−​≈0），类似断路状态。

3. 差分输入与单端输出
   运放有两个输入端（同相输入端V+​和反相输入端V−​）和一个输出端Vout​，输出电压与输入电压差成正比：
   Vout​=AOL​⋅(V+​−V−​)
   其中AOL​为开环增益。

二、运放的内部结构

运放通常由以下四级电路组成：

1. 输入级
   • 差分放大器：由双极型晶体管（BJT）或场效应管（FET）构成，抑制共模噪声，提供高共模抑制比（CMRR）和高输入阻抗。
2. 中间增益级
   • 共射/共源放大器：使用晶体管或MOSFET，提供主要电压增益，可能包含有源负载（如电流镜）以提升增益和带宽。
3. 输出级
   • 推挽式放大器：由互补对称的NPN/PNP晶体管（或NMOS/PMOS）组成，提供低输出阻抗和大电流驱动能力，减少交越失真。
4. 偏置电路
   • 电流镜与电压基准：为各级提供稳定的静态工作点，确保运放在不同温度和工作条件下性能稳定。

三、运放的工作模式

1. 开环模式
   • 直接使用运放的高增益，但输出易饱和（接近电源电压），仅用于比较器等非线性应用。
2. 闭环模式（负反馈）
   • 通过反馈网络（如电阻、电容）将输出信号引回反相输入端，形成负反馈，使运放工作在线性区，实现稳定放大。
   • 反馈类型：
     • 电压串联反馈：提高输入阻抗，降低输出阻抗（如同相放大器）。
     • 电压并联反馈：降低输入阻抗，降低输出阻抗（如反相放大器）。
     • 电流反馈：用于高速运放，带宽与增益无关。

四、运放的典型应用

1. 信号放大
   • 反相放大器：输入信号通过电阻接入反相输入端，输出电压与输入电压反相。
     Vout​=−Rin​Rf​​⋅Vin​
   • 同相放大器：输入信号接入同相输入端，输出电压与输入电压同相。
     Vout​=(1+Rin​Rf​​)⋅Vin​
2. 信号运算
   • 加法器：实现多信号相加。
   • 减法器：通过差分输入实现两信号相减。
   • 积分器/微分器：通过电容反馈实现时间域运算。
3. 信号处理
   • 有源滤波器：结合电阻、电容构成低通、高通、带通滤波器。
   • 电压比较器：开环模式下比较输入电压与参考电压，输出高/低电平。
   • 振荡器：通过正反馈产生正弦波、方波等信号。
4. 电源应用
   • 线性稳压器：运放控制调整管输出稳定电压。
   • 开关电源：运放用于误差放大和反馈控制。

五、运放的关键参数

1. 增益带宽积（GBW）：增益与带宽的乘积为常数，决定运放的高频性能。
2. 输入失调电压（Vos​）：两输入端电压差为零时，输出电压不为零的微小偏差。
3. 共模抑制比（CMRR）：抑制共模信号（如噪声）的能力，数值越大越好。
4. 转换速率（SR）：输出电压的最大变化速率，决定运放处理高速信号的能力。
5. 输入/输出阻抗：高输入阻抗减少信号源负载，低输出阻抗增强驱动能力。

六、运放的选型要点

• 精度要求：高精度应用选择低失调电压、低温漂运放（如OP07）。
• 速度要求：高速信号处理选择高转换速率、高GBW运放（如AD8055）。
• 电源电压：低功耗应用选择单电源供电运放（如LM358）。
• 成本考虑：通用型运放（如LM741）成本低，适合一般应用。