有没有好用的运算放大器计算工具？
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发布时间：2022-04-22 00:30
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时间：2023-10-11 13:49
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运算放大器
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运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数*算的结果。由于早期应用于模拟计算机中用以实现数*算，因而得名“运算放大器”。[1]
由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数*算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。[2]
中文名
运算放大器
外文名
operationalamplifier
简称
运放
主要参数
共模抑制、增益带宽积等
属性
具有很高放大倍数的电路单元
快速
导航
原理
分类
参数
型号命名
集成运算放大器的选择和使用
简介
运算放大器是一个内含多级放大电路的电子集成电路，其输入级是差分放大电路，具有高输入电阻和抑制零点漂移能力；中间级主要进行电压放大，具有高电压放大倍数，一般由共射极放大电路构成；输出极与负载相连，具有带载能力强、低输出电阻特点。运算放大器的应用非常广泛。[3]
原理
运放如图有两个输入端a（反相输入端），b（同相输入端）和一个输出端o。也分别被称为倒向输入端非倒向
运算放大器
输入端和输出端。当电压U-加在a端和公共端（公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。）之间，且其实际方向从a 端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反。当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见，a端和b 端分别用"-"和"+"号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。反转放大器和非反转放大器如下图：[2]
运算放大器
一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。[2]
运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。[2]
运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。[2]
运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。[2]
分类
按照集成运算放大器的参数来分，集成运算放大器可分为如下几类。
通用型
通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的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。例μA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。[2]
运算放大器
高阻型
这类集成运算放大器的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。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。[2]
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时间：2023-10-11 13:49
(1) 为芯片内部的晶体管提供一个合适的静态偏置。芯片内部的电路通常都是直接耦合的，它能够自动调节静态工作点，但是，如果某个输入引脚被直接接到了电源或者地，它的自动调节功能就不正常了，因为芯片内部的晶体管无法抬高地线的电压，也无法拉低电源的电压，这就导致芯片不能满足虚短、虚断的条件，电路需要另外分析。
(2)消除静态基极电流对输出电压的影响，大小应与两输入端外界直流通路的等效电阻值平衡，这也是其得名的原因。
2.同相比例运算放大器，在反馈电阻上并一个电容的作用是什么??
(1)反馈电阻并电容形成一个高通滤波器, 局部高频率放大特别厉害。
(2)防止自激。
3.运算放大器同相放大电路如果不接平衡电阻有什么后果?
(1)烧毁运算放大器，有可能损坏运放,电阻能起到分压的作用。
4.在运算放大器输入端上拉电容，下拉电阻能起到什么作用??
(1)是为了获得正反馈和负反馈的问题，这要看具体连接。比如我把现在输入电压信号，输出电压信号，再在输出端取出一根线连到输入段，那么由于上面的那个电阻，部分输出信号通过该电阻后获得一个电压值，对输入的电压进行分流，使得输入电压变小，这就是一个负反馈。因为信号源输出的信号总是不变的，通过负反馈可以对输出的信号进行矫正。
5.运算放大器接成积分器，在积分电容的两端并联电阻RF 的作用是什么?
(1) 泄放电阻，用于防止输出电压失控。
6.为什么一般都在运算放大器输入端串联电阻和电容?
(1)如果你熟悉运算放大器的内部电路的话，你会知道，不论什么运算放大器都是由几个几个晶体管或是MOS 管组成。在没有外接元件的情况下，运算放大器就是个比较器，同相端电压高的时候，会输出近似于正电压的电平，反之也一样……但这样运放似乎没有什么太大的用处，只有在外接电路的时候，构成反馈形式，才会使运放有放大，翻转等功能……
7.运算放大器同相放大电路如果平衡电阻不对有什么后果?
(1)同相反相端不平衡，输入为0 时也会有输出，输入信号时输出值总比理论输出值大(或小)一个固定的数。(2)输入偏置电流引起的误差不能被消除。
8.理想集成运算放大器的放大倍数是多少输入阻抗是多少其同相输入端和反相输入端之间的电压是多少?(1) 放大倍数是无穷大，输入阻抗是无穷小，同向输入和反向输入之间电压几乎相同(不是0哦!!!比如同向端为10V，反向端为9.999999V)，刚考完电工，还记得!
9.请问，为什么理想运算放大器的开环增益为无限大?
(1)实际的运放开环增益达到10 万以上，非常非常大所以把实际运算放大器理的开环增益想化为无穷大，并由此导出虚地。
(2)导出虚地只是针对反相放大器而言吧。我在书上看见：运算放大器的开环增益无穷大，可以使得我们在设计电路的时候，闭环增益可以不受开环增益的*，而仅仅取决于外部元件。就是牺牲大的开环 增益换取闭环增益的稳定性。
(3)导出虚地是针对运放在负反馈接法时不仅仅是反相放大器;正反馈时没有虚地。
(4)很好理解假设增益很小, 则,对于一个输出电压,加在运放两端的电压的差值相对较大,如果接成负反馈状态,就会带来运放两端的电压的不一致,从而引起放大的误差 。
(5)运放“虚短” 的实现有两个条件：1 ) 运放的开环增益A 要足够大;2 ) 要有负反馈电路。先谈第一点，我们知道，运放的输出电压Vo 等于正相输入端电压与反相输入端电压之差Vid乘以运放的开环增益A。即 Vo = Vid * A = (VI+ - VI-) * A ( 1 )由于在实际中运放的输出电压不会超过电源电压，是一个有限的值。在这种情况下，如果A很大，(VI+ - VI-)就必然很小;如果(VI+ - VI-) 小到某程度，那么我们实际上可以将其看作0，这个时候就会有VI+ = VI-，即运放的同相输入端的电压与反相输入端的电压相等，好像连在一起一样，这我们称为“虚短路” 。注意它们并未真正连在一起，而且它们之间还有电阻，这一点一定要牢记。在上面的讨论中，我们是怎样得到“虚短” 的结果的呢?我们的出发点是公式 ( 1 ) ，它是运放的特性，是没有问题的，我们可以放心。然后，我们作了两个重要的假设，一个是运放的输出电压大小有限，这没有问题，运放输出当然不会超过电源， 因此这个假设绝对成立，所以以后我们就不提了。第二个是说运放开环增益A 很大。普通运放的A 通常都达10 的6、7 次方甚至更高，这个假设一般没问题，但不要忘记，运放的实际开环增益还与其工作状态有关，离开了线性区，A 就不一定大了，所以，这第二个假设是有条件的，我们也先记住这一点。因此我们知道，当运放的开环增益A 很大时，运放可以有“虚短” 。但这只是可能性，不是自动就实现的，随便拿一个运放说它的两个输入端是“虚短” 没有人会相信。“虚短” 要在特定的电路中才能实现。“虚短” 存在的条件是：1 ) 运放的开环增益A 要足够大;2 ) 要有负反馈电路。明白了“虚短” 得条件后我们就很容易判断什么时候能什么时候不能用“虚短” 作电路分析了。在实际上，条件( 1 ) 对绝大多数运放都是成立的，关键要看工作区域。如果是书上的电路，通过计算判断;如果是实际电路，用仪器量运放输出电压是否合理即可知道。与“虚短” 相关的还有一种情况叫“虚地” ，就是有一个输入端接地时的“虚短” ，不是新情况。有些书上说要深度负反馈条件下才能用“虚短” ，我觉得这不准确，我认为这样说的潜思考是，在深度负反馈的情况下运放更可能工作在线性区。但这不是绝对的，输入信号太大时，深度负反馈的运放照样进入饱和。所以，应该以输出电压值判断最可靠。
10. 将输入信号直接加到同相输入端,反相输入端通过电阻接地,为什么U_ = U+ =Ui≠0?不是虚地吗?
问题补充：构成虚短要满足一定的条件。那构成虚地也要满足一定的条件?是什么?为什么?
(1) 在同相放大电路中，输出通过反馈的作用，使得U(+)自动的跟踪U(-)，这样U(+)-U(-)就会接近于0。 好像两端短路，所以称“虚短”。
(2)由于虚短现象和 运放的输入电阻很高，因而流经运放两个输入端的电流很小，接近于0，这个现象叫“虚断”(虚断是虚短派生的，不要以为两者矛盾)(3)虚地是在反相运放电 路中的，(+)端接地，(-)接输入和反馈网络。由于虚短的存在，U(-)和U(+)[电位等于0]很接近，所以称(-)端虚假接地——“虚地”(4)关 于条件：虚短是同相放大电路 闭环(简单说就是有反馈)工作状态的重要特征，虚地是反相放大电路在闭环工作状态下的重要特征。 注意理解虚短的条件(如“接近相等”)，应该就ok 。
11.总觉得运算放大器这个模型有点蹊跷，首先就是“虚短”，因为“虚短”，当运算放大器接成同相放大器时，两输入端的电位是相同的，这时如果测量输入端的波形，将是同样的，这就好比是共模信号，其实，在两输入端上还是有微小的差模信号，只是一般仪器测不出来，可是，这样一来，由于“虚短”就人为(因为虚短是深度负反馈的结果，是人为的)的增大了两输入端的共模信号，这样就对运算放大器的 性能构成挑战。为什么运算放大器要这么使用?
(1)同相放大器的共模信号比反相放大器大得多对共模抑制比要求高。
(2)我对“同、反 相两种放大器的共模信号抑制能力”的看法运放共模信号抑制比的优劣(db值)主要取决于运放内部(仅仅是内部)差动放大器的对称程度及增益。这很明显，没有任何运放提供其共模抑制比的同时，附加了外部电路的结构条件。对于单端输入，无论是同相还是反相，其等效共模值均是输入值的一半。但因同相放大的输入阻抗通常大于反相放大，其抗干扰的能力当然差些。如前述，反相输入时，反相端电压几乎为零，所以差分对管集电极电压只有一管变化。同相输入时，反相端的电压和同相端电压相等，故共模电压和输入电压等值!也就是说所以差分对管集电极电压除了有两管有同时朝不同方向变化的部分外还有 朝同方向变化的量，这就是共模输出电压。它和其中某一管的电压是同相相加的。因此容易导致该管趋于饱和(或者截止)，所幸共模电压的放大只是差模放大倍数的数万分之一。上面所述，并不说明该放大器的差模输入和共模输入的共模抑制抑制比不同!应该是同相输入会附加一个与输入量等值的共模信号!因此对于输入信号较大时要慎用同相放大模式。
12 为什么运放一般要反比例放大?反相输入法与同相输入法的重大区别是：反相输入法，由于在同相端接一个平衡电阻到地，而在这个电阻上是没有电流的(因为运算放大器的输入电阻极大)，所以这个同相端就近似等于地电位，称为“虚 地”，而反相端与同相端的电位是极接近的，所以，在反相端也存在“虚地”。有虚地的好处是，不存在共模输入信号，即使这个运算放大器的共模抑制比不高，也保证没有共模输出。而同相输入接法，是没有“虚地”的，当使用单端输入信号时，就会产生共模输入信号，即使使用高共模抑制比的运算放大器，也还是会有共模输出的。所以，一般在使用时，都会尽量采用反相输入接法。
13.有的运放上电后即使不输入任何电压也会有输出，而且输出还不小，所以经常用VCC/2 作为参考电压。
(1)运放在没有任何输入的情况下有输出， 是由运放本身的设计结构不对称造成的，即产生了我们常说的输入失调电压Vos，它是运放的一个很重要的性能参数。运放常用VCC/2 作为参考电压 是因为该运放处在单电源工作状态下，在此时运放真正的参考是VCC/2，故常在运放正端提供一个VCC/2 的直流偏置，在正负双电源供电时还是常以地为参考的。运放的选择需注意很多事项
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时间：2023-10-11 13:50
运算放大器内部结构
uA741内部结构
上图为一款通用运算放大器uA741的内部结构。深色部分为半导体材料，浅*部分为金属连接。看起来这个内部结构让人无法理解，但其实就是若干三极管、PN结、电阻、电容组成。三极管本质上是如下图所示的结构，这里以NPN为例
npn三极管
而实际在集成电路里三极管是怎么制作的呢？如下图
NPN集成示意图
深色部分为不同掺杂的半导体材料，而浅*部分则为盖在半导体材料上的金属。基极（B）连接到P掺杂的材料，集电极（C）和发射极（E）连接到两块N+掺杂的材料，从而构成NPN的三明治结构。并注意到，三极管周围有一圈P掺杂材料，起到将三极管与周围隔离开的作用。同样的，PNP也可以用类似的方式来实现。至于电阻电容也可以用半导体以及金属材料实现，从而将电路集成到芯片中。
直接看芯片的内部结构当然很复杂，原理图则清晰很多。uA741的内部结构图如下所示（这张图也常常出现在模拟电子技术的书中作为集成运放的介绍图）
741原理图
具体的工作原理这里没有办法展开介绍，仅仅简单介绍几句
放大部分
左上角两个Input连入第一级差分放大电路，差分放大电路实现双端信号转单端输出，并且具有很好的共模抑制比以及抑制温漂的能力，几乎所有的运算放大器的输入级都是差分放大电路。随后，信号经Q4的集电极送入后级放大，Q16为共集放大（充当缓冲级），随后经过Q17的共射放大，再送入Q18再经过推挽输出到达Output。
静态偏置部分
Q5~Q7构成差分电路的电流源有源负载，提高差分放大电路的放大能力以及共模干扰能力；Q8、Q9以及Q10、Q11以及Q12、Q13均为镜像电流源电路，为放大部分提供合适的直流偏置电流。
简化结构
741简化电路
根据上图所示的简化电路可以得到以下几个小结论
输入阻抗很大。由于输入级为长尾式差分放大带电流源负载，因此从输入看入阻抗非常大（ [公式] 级别），如果输入为场效应管，则输入阻抗进一步增大）
输出带载能力较强。由于输出为电流源加推挽输出，因此提高了输出电流能力。
信号增益大。可以看到，从信号的输入到输出，经过了差分、共集、共射以及推挽输出，因此开环的增益较大。
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时间：2023-10-11 13:50
