運(yùn)算放大器（Operational Amplifier）是集成電路家族里用途最廣的芯片種類之一，也是各大模擬半導(dǎo)體廠商的必有產(chǎn)品。簡單來說，運(yùn)算放大器就是一個(gè)低頻及中頻電子信號放大器。其基本結(jié)構(gòu)為具有兩個(gè)（同相、反相）高阻輸入端和一個(gè)低阻輸出端。其放大功能體現(xiàn)為輸出電壓值為兩個(gè)輸入端口電壓的差值乘以運(yùn)放增益（10K-1M）。假設(shè)運(yùn)放增益為10K，同相與反相端電壓差值為5mV，其輸出電壓值則為50V（事實(shí)上輸出電壓受到運(yùn)放供電電源的限制，不可能超出電源范圍）。那么為何又稱之為運(yùn)算放大器？因?yàn)樵谶^去模擬計(jì)算機(jī)時(shí)代，就是由這種放大器實(shí)現(xiàn)了基本的加法、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，所以又稱之為運(yùn)算放大器。

運(yùn)算放大器的電路符號如圖1，VOUT=增益*（VIN+- VIN-）

圖1：運(yùn)算放大器的電路符號

運(yùn)算放大器最基本的功能是放大電子信號，例如一般話筒的輸出電壓通常在微伏級，這樣的信號用來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器顯然是不夠的，這就需要一個(gè)電路對信號進(jìn)行放大?？扇绻眠\(yùn)放去直接放大，所得到的放大結(jié)果也不一定就是我們想要的數(shù)值。

假設(shè)待放大的信號為500mV，我們需要的信號為5V，也就是說需要增益為10，用運(yùn)放搭一個(gè)如圖2所示的簡單電路就可以實(shí)現(xiàn)。

圖2

輸入的小信號為VIN，放大的輸出信號為VOUT，增益為G=1+R1/R2，當(dāng)R1/R2=9的時(shí)候。增益就為10。

其推導(dǎo)過程也十分簡單。設(shè)運(yùn)放增益為A，因?yàn)檫\(yùn)放的輸入端口為高阻態(tài)，我們可理解為開路，

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

當(dāng)然這個(gè)運(yùn)算放大器的輸出能力也是有上限的，其輸出電壓受到其供電電源的大小限制。假設(shè)運(yùn)放使用+12V和-12V電源，那么輸出的電壓范圍大致在-11V到+11V之間。

本文到目前為止都沒有談到信號的頻率，上文所有內(nèi)容都可以理解為在放大一個(gè)直流信號。事實(shí)上，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中幾乎都是放大交流信號，交流信號就必然有頻率。處理交流信號，我們必須要了解運(yùn)算放大器的一個(gè)重要特性，那就是運(yùn)算放大器的增益是跟信號頻率成反比的，也就是說頻率增大N倍，增益就要減小N倍，所謂10K到1M的增益近乎只能在直流信號下保持為一個(gè)常數(shù)。以麥克風(fēng)信號為例，人的聲音頻率為20-20KHz，上限頻率（保持運(yùn)放增益為常數(shù)的頻率）為5Hz運(yùn)放，則直流增益從1M下降為100，即下降了10000倍，相應(yīng)的其上限頻率就上升了10000倍，為50KHz，這樣把增益控制在100以下，就可以放大50KHz以下的信號。以上特性就體現(xiàn)了運(yùn)算放大器中的一個(gè)重要參數(shù)：增益帶寬積GBW，就是中頻增益放大器的帶寬。

運(yùn)放組成的電路可以說是五花八門，除了放大電路以外，還可以實(shí)現(xiàn)比較器、施密特觸發(fā)器、ADC/DAC、有源濾波電路等。多個(gè)運(yùn)放組合構(gòu)成的電路，最經(jīng)典的可能就是儀表放大器，生活中常見的電子血壓計(jì)就包含這個(gè)電路。

電子血壓計(jì)中氣壓傳感器獲取的脈搏波信號通常是毫伏，甚至微伏級別的模擬信號，這樣的信號送給ADC肯定是不行的，必須經(jīng)過小信號放大處理，一般采用儀表放大器電路（如圖3，其實(shí)質(zhì)為3個(gè)運(yùn)放構(gòu)成），這種電路在儀表應(yīng)用中非常普遍，具有很高的共模抑制比。差分放大結(jié)構(gòu)也可以完美匹配橋式測量電路。

圖3：儀表放大器

以上我們只是看到了運(yùn)放的基本功能以及典型應(yīng)用，在實(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)放相關(guān)電路設(shè)計(jì)中，需要考慮的參數(shù)非常多，是模擬電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

如何為自己的設(shè)計(jì)選擇一個(gè)合適的運(yùn)放呢？首先，我們來看一下關(guān)于運(yùn)算放大器的產(chǎn)品頁面：

圖4

簡單在貿(mào)澤官網(wǎng)搜查放大器就會得出超過8500個(gè)料號，來自20多個(gè)供應(yīng)商，包括多個(gè)知名原廠。

如圖5所示，其目錄式過濾器，羅列了運(yùn)放的安裝方式、通道數(shù)量、工作電壓、輸出能力、增益帶寬積、共模抑制比、輸入電壓噪聲密度等20余個(gè)參數(shù)。這個(gè)過濾器極大的簡化了電子工程師的運(yùn)算放大器選型工作。

圖5

我們以尋找一個(gè)3通道（集成有三個(gè)運(yùn)放單元的芯片）的運(yùn)放IC為例，只需要在上面的過濾器中選擇通道數(shù)為“3 Channel”，然后點(diǎn)擊“應(yīng)用過濾器”。

圖6

就會出現(xiàn)如圖7所示的3通道運(yùn)放器。這里我們順便看下“SR-轉(zhuǎn)換速率”參數(shù)，這是一個(gè)非常容易被忽視的重要參數(shù)，SR就是壓擺率，定義為當(dāng)輸入信號為階躍信號時(shí)，運(yùn)放輸出電壓單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)換速率，代表運(yùn)放的輸出響應(yīng)性能。如果SR過低，將會導(dǎo)致輸出帶寬下降，信號失真。

圖7 產(chǎn)品介紹

01

TLV910x通用運(yùn)算放大器

Texas Instruments的TLV910x通用運(yùn)算放大器具有出色的直流精度和交流性能，包括軌到軌輸入/輸出、低失調(diào)（±300μV，典型值）、低失調(diào)漂移（±0.5μV/°C，典型值）和1.1MHz帶寬。TLV910x一款功能強(qiáng)大、低功耗、高性能運(yùn)算放大器，適用于工業(yè)應(yīng)用。

02

LTC6229 730MHz低失真運(yùn)算放大器

Analog Devices Inc.的LTC6229 730MHz低失真運(yùn)算放大器是雙通道、非?？焖?、低噪聲、軌到軌輸出、單位增益穩(wěn)定型運(yùn)算放大器。LTC6229運(yùn)算放大器具有890MHz的增益帶寬積和500V/μs的高轉(zhuǎn)換率。典型應(yīng)用包括光學(xué)電子器件中的快速跨阻抗放大器、有源濾波器、視頻放大器、高動(dòng)態(tài)范圍模數(shù)轉(zhuǎn)換器和低電壓高保真放大器。

03

MAX40018雙通道毫微功耗運(yùn)算放大器

Maxim Integrated的MAX40018雙通道毫微功耗運(yùn)算放大器每通道僅消耗400nA電源電流，非常適合用于便攜式電池供電應(yīng)用。MAX40018在1.7V至5.5V單電源電壓下工作，并由為微控制器供電的同一1.8V、2.5V或3.3V標(biāo)稱電源供電。MAX40018具有軌到軌輸出，單位增益穩(wěn)定，具有9kHz增益帶寬積 (GBP)。

運(yùn)算放大器的參數(shù)與應(yīng)用，復(fù)雜多樣，千差萬別，本文只是作了最淺顯的基本介紹。針對具體的設(shè)計(jì)需求，選擇一個(gè)完美的運(yùn)放料號，還需要設(shè)計(jì)者去查閱大量的數(shù)據(jù)手冊，尤其是其中各種參數(shù)曲線圖。