【知识点】运放的基本功能以及典型应用

  运算放大器（Operational Amplifier）是集成电路家族里用途最广的芯片种类之一，也是各大模拟半导体厂商的必备产品。简单来说，运算放大器就是一个低频及中频电子信号放大器。其基本外形为具有两个（同相、反相）高阻输入端和一个低阻输出端。在过去模拟计算机时代，基本的加法、积分等数学运算功能都是由这种放大器实现的，所以称之为运算放大器。

运算放大器的电路符号如图1：

图1运算放大器的电路符号

  运算放大器最基本的功能是放大电子信号，例如一般话筒的输出电压通常在微伏级，这样的信号用来驱动扬声器显然是不够的，这就需要一个电路对信号进行放大。假设待放大的信号为500mV，我们需要的信号为5V，也就是说需要增益为10，用运放搭一个如图2所示的简单电路就可以实现。

图2

  输入的小信号为VIN，放大的输出信号为VOUT，增益为G=1+R1/R2，当R1/R2=9的时候。增益就为10。

  其推导过程也十分简单。利用运放闭环负反馈系统的“虚短”、“虚断”原理，设运放增益为A， 因为运放的输入端口为高阻态，我们可理解为开路，

  得出：VOUT=A *｛VIN-R２/(R２＋R1) *VOUT}

  再得：VOUT/VIN=A-AR２/(R２＋R1)*VOUT/VIN

  得出：VOUT/VIN=1/｛1/A＋R２/(R２＋R1)｝

  由于A很大，1/A可以忽略，故得出：VOUT/VIN=1＋R1/R2

  当然这个运算放大器的输出能力也是有上限的，其输出电压受到其供电电源的大小限制。假设运放使用+12V和-12V电源，非轨对轨输出的运放输出电压范围大致在-10V到+10V之间。

  本文到目前为止都没有谈到信号的频率，上文所有内容都可以理解为在放大一个直流信号。事实上，现实应用中很多场合是放大交流信号，交流信号就必然有频率。

  处理交流信号，我们必须要了解运算放大器的一个重要特性，那就是运算放大器的增益是跟信号频率成反比的，也就是说频率增大N倍，增益就要减小N倍，所谓10K到1M的增益近乎只能在直流信号下保持为一个常数。

  以麦克风信号为例，人的声音频率为20Hz-20KHz，上限频率（保持运放增益为常数的频率）为5Hz，则直流增益从1M下降为100，即下降了10000倍，相应的其上限频率就上升了10000倍，为50KHz，这样把增益控制在100以下，就可以放大50KHz以下的信号。

  以上特性就体现了运算放大器中的一个重要参数：增益带宽积GBW，就是中频增益放大器的带宽。

  运放组成的电路可以说是五花八门，除了放大电路以外，还可以实现比较器、施密特触发器、ADC/DAC、有源滤波电路等。多个运放组合构成的电路，最经典的可能就是仪表放大器，生活中常见的电子血压计就包含这个电路。

  电子血压计中气压传感器获取的脉搏波信号通常是毫伏，甚至微伏级别的模拟信号，这样的信号送给ADC肯定是不行的，必须经过放大处理，一般采用仪表放大器电路（如图3，其实质为3个运放构成），这种电路在仪表应用中非常普遍，具有很高的共模抑制比。差分放大结构也可以完美匹配桥式测量电路。

图3：仪表放大器

  以上我们只是看到了运放的基本功能以及典型应用，在实际产品的运放相关电路设计中，需要考虑的参数非常多，是模拟电路设计的难点之一。

  目前润石科技运算放大器根据功能分类就有精密运算放大器、高速运算放大器、通用运算放大器、低噪声运算放大器、低失调电压运算放大器、纳安功耗运算放大器、高压高精度运算放大器、高压通用运算放大器、仪表运算放大器等涉及几百个料号。

  为了方便工程师们选型目录中罗列了运放的封装形式、通道数量、工作电压、输出能力、增益带宽积、共模抑制比、输入电压噪声密度等参数。这个过滤器极大的简化了电子工程师的运算放大器选型工作。

  当然针对具体的设计需求，选择一个完美的运放料号，还需要工程师们去查阅大量的数据手册，尤其是其中各种参数曲线图。欢迎广大工程师登录润石科技官网www.run-ic.com申请样品测试，下载规格书选型！