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--- 运算放大器 [2023/05/22 17:54]
meiling
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-#什么是运算放大器？
-## 运算放大器和比较器？
-### 什么是运算放大器？
-运算放大器(Operational Amplifier)是一种差分放大器，具有高输入电阻、低输出电阻、高开放增益（开环增益），并具有可放大+输入引脚与-输入引脚间的电压差的功能。
-每个电路由正侧电源引脚、负侧电源引脚、+输入引脚、-输入引脚、输出引脚等5个引脚构成。
-  * 通常电源、输入、输出分类以外的引脚名称未进行统一
-**运算放大器、比较器的图解符号**
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-**运算放大器的电源引脚名称示例**
-{{ ::op_what1_02_.jpg |}}
-运算放大器要求的功能有高输入电阻（阻抗）和低输出电阻。 在下图【电压控制电压源放大器模型】中，输入电压和输出电压的关系如以下公式所示。
-**电压控制电压源放大器模型**
-{{ ::op_what1_03.jpg |}}
-{{ ::op_what1_img_01.png |}}
-信号电压Vs是通过电阻分压由信号源电阻Rs和运算放大器的输入电阻Ri分压而得，因此衰减的信号被输入运算放大器。
-但是，当Ri远远大于Rs(Ri=∞)时，公式的第1项可视作近似于1、Vs=Vi。
-关于以下第2项，放大了的输入电压AvVi被运算放大器的输出电阻Ro和负载电阻RL分压输出。
-此时，当Ro远远小于RL(Ro=0)时，第2项可近似于1，信号可在不衰减的状态下输出。
-这样的运算放大器被称为理想运算放大器。
-一般希望运算放大器具有高输入电阻、低输出电阻，尽量设计为接近理想运算放大器的电路结构。
-{{ ::op_what1_06.jpg |}}
-信号电压Vs是通过电阻分压由信号源电阻Rs和运算放大器的输入电阻Ri分压而得，因此衰减的信号被输入运算放大器。
-但是，当Ri远远大于Rs(Ri=∞)时，公式的第1项可视作近似于1、Vs=Vi。
-关于以下第2项，放大了的输入电压AvVi被运算放大器的输出电阻Ro和负载电阻RL分压输出。
-此时，当Ro远远小于RL(Ro=0)时，第2项可近似于1，信号可在不衰减的状态下输出。
-这样的运算放大器被称为理想运算放大器。
-一般希望运算放大器具有高输入电阻、低输出电阻，尽量设计为接近理想运算放大器的电路结构。
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-运算放大器按其放大率放大引脚间的电压差，因此输出电压表示如下。
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-当运算放大器的开放增益Av足够大时，可视为左边近似于0、Vs=VOUT。
-增益较低时，公式左边不可近似于0，这样，输出电压会发生误差。
-之所以希望运算放大器有高开放增益，是因为通过该增益可尽量缩小输出电压误差。
-高开放增益从其他角度来看，意味着应尽量减小+输入引脚和-输入引脚间的电位差。即，开放增益越大，VIN+=VIN-的关系成立的可能性就越大。该+输入引脚和-输入引脚的电位基本相等的关系被称为虚短、虚断或虚拟接地。
-构成负反馈电路使用时，该关系成立，可利用虚拟接地的特性设计应用电路。
-### 什么是比较器
-比较器(Voltage Comparator)的引脚结构与运算放大器相同，即由+输入引脚、-输入引脚、正侧电源引脚、负侧电源引脚、输出引脚等5个引脚构成。 该电路使用任一输入引脚为基准引脚来固定电压，放大该基准电压与输入另一个引脚的电压间的差，输出High或Low。
-+输入引脚的电位 > -输入引脚的电位成立时，输出High级
--输入引脚的电位 > +输入引脚的电位成立时，输出Low级
-运算放大器与比较器的很大差异是有无相位补偿电容。
-由于运算放大器构成负反馈电路使用，因此需要在IC内部设置防振相位补偿电容。
-而比较器未构成负反馈电路，因此未内置相位补偿电容。
-由于相位补偿电容限制了输入-输出间的响应时间，因此无相位补偿电容的比较器具有比运算放大器更好的响应性。
-另一方面，根据该相位补偿电容的有无，将运算放大器作为比较器使用时，因受相位补偿电容限制，其响应性远远低于比较器。
-运算放大器作为比较器使用时需要注意。
-[[https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/ic/amp_linear/common/opamp_comparator_tutorial_appli-e.pdf|运算放大器比较器基础]]
-## 运算放大器、比较器的电路结构
-###  运算放大器、比较器的电路结构
-运算放大器的内部电路结构如下所示。
-一般由输入段、增益段、输出段等3段电路构成。输入段由差分放大段构成，用于放大两个引脚间的电压差。 另外，同相信号成分（引脚间无电位差，输入相等电压的状态）不放大，起抵消作用。若仅靠该差分放大电路，则增益不足，因此使用增益段进一步增加运算放大器的开放增益。普通运算放大器的增益段间连接了防振相位补偿电容。为了避免因受输出引脚上连接的电阻等的负载的影响使运算放大器的特性发生变化，作为缓冲器连接了输出段。负载引起的输出特性的变化（失真、电压下降等）主要由输出段的电路结构和电流能力决定。
-一般输出段的种类有A类、B类、C类、AB类输出电路，这是根据输出电路中流动的驱动电流量（偏压的差别）进行分类的。根据驱动电流量的不同，输出段发生的失真系数水平会发生变化。一般电路失真的顺序从小到大依次为A类、AB类、B类、C类。
-{{ ::img_01.gif |}}
-### 比较器的电路结构
-比较器的电路结构如下所示。
-电路结构基本与运算放大器相同，但由于未考虑构成负反馈电路使用的情况，因此未内置防振用相位补偿电容。
-由于相位补偿电容可限制输入输出间的工作速度，因此与运算放大器相比，响应时间明显提高。
-比较器的输出电路形式主要分为集电极开路（漏极开路）型和推挽输出型。
-虽表示为BA10393的内部等效电路，不过这也是集电极开路型的输出电路。
-{{ ::img_02.gif |}}
-## 运算放大器（运放）的分类
-### 双电源 / 单电源 / 轨到轨运算放大器
-根据输入/输出电压范围的差异，运算放大器（运放）大致分为“双电源运算放大器”、“单电源运算放大器”、“轨到轨运算放大器”三种类型。每种运算放大器的输入/输出电压范围如下图所示：
-{{ ::img_01_2.jpg |}}
-=== 双电源运算放大器 ===
-由于运算放大器通常会放大接近0V的微小信号，因此当双电源运算放大器需要0V的输入时，就需要将VEE设置为负1.5V以下。正因为此，在大多数情况下需要使用负电源，并且需要正负两种电源，故被称为“双电源运算放大器”。
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-noise/dual-supply-voltage|低噪声电源运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-offset-voltage/dual-supply-voltage|低失调电压双电源运算放大器 （产品搜索）]]
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-=== 单电源运算放大器（接地检测） ===
-当输入接近0V的信号时，如果使用双电源（通用）运算放大器，就需要负电压；而单电源运算放大器是一种无需使用此负电压也可以输入的运算放大器。因其可以检测到接地电平的输入信号，故也被称为“接地检测运算放大器”。
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/standard/ground-sense|通用接地检测运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/high-speed/ground-sense|高速接地检测运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-power/ground-sense|低耗电量接地检测运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-noise/ground-sense|低噪声接地检测运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/high-performance|高性能接地检测运算放大器 （产品搜索）]]
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-=== 轨到轨运算放大器（输入输出满摆幅） ===
-随着近年来节能化趋势的发展，采用低压驱动方式的设备越来越多。运算放大器也同样需要在低电压下工作，但是如果VCC电压降至5V附近，则单电源运算放大器只能输入最高比VCC低1.5V的电压，存在不便之处。于是，出现了即使输入电压从VEE到VCC波动也可以正常工作的轨到轨运算放大器。
-因其可以在电源电压（VEE～VCC）范围内进行输入/输出，故也被称为“输入/输出满摆幅运算放大器”。
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/high-speed/input-output-full-swing|高速输入输出满摆幅运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-power/input-output-full-swing|低耗电量输入输出满摆幅运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-noise/output-full-swing|低噪声输出满摆幅运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-offset-voltage/input-output-full-swing|低失调电压输入输出满摆幅运算放大器 （产品搜索）]]
-如欲了解各种运算放大器的应用电路示例，请参阅以下链接中的应用指南。
-  * [[https://www.rohm.com.cn/search/application-notes?Category=Application%20Note&Category1=%E3%82%A2%E3%83%B3%E3%83%97%20%2F%20%E3%83%AA%E3%83%8B%E3%82%A2|运算放大器的应用电路示例（应用指南）]]
-## 噪声特性
-随着产品的电子化和高密度化发展，噪声环境变得越来越差，对于放大传感器等微小信号的运算放大器来说，降噪对策已经成为重要课题。
-近年来，已经推出了很多抗雜訊运算放大器，市场对这类产品的需求也与日俱增。在这里介绍一下这些噪声的定义。
-### 噪声特性
-噪声通常被称为“EMC（Electromagnetic Compatibility，电磁兼容性）”，是指“不对其他设备产生噪声干扰；即使受到来自其他设备的噪声干扰，仍保持原有的性能”这两种性能。但是，在现场中具体使用时，使用“EMI”和“EMS”这两种由EMC分类出来的表达方式。
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-=== EMI　电磁干扰 ===
-EMI是用来衡量对象产品的运行产生多少噪声、是否给外围IC和系统带来问题的指标。“良好的EMI特性”意味着产生的噪声很少。
-运算放大器的噪声被称为“等效输入噪声电压”，是由电路和工艺因素引发的。该噪声在放大信号时成为误差电压，并影响放大的精度。
-{{ ::zaosheng.jpg |}}
-ROHM拥有丰富的低噪声运算放大器产品阵容。如欲获取详细信息，请点击产品页面。
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/high-performance/ground-sense|高性能CMOS接地检测低噪声运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-noise|低噪声运算放大器 （产品搜索）]]
-=== EMS　电磁敏感性 ===
-噪声干扰可能会引发IC或设备发生误动作。
-EMS是用来衡量对象产品即使受到噪声干扰也不会发生误动作的能力和抵抗力的指标。因此，“良好的EMS特性”意味着不容易受到噪声的影响。
-在运算放大器行业，“EMS特性良好且不易受噪声影响”这一特性，因其具有出色的抗外部噪声电磁干扰（EMI）能力而被表述为“抗EMI性能优异/出色”“抗电磁干扰能力好。
-<WRAP centeralign round box 100%>
-**“EMS特性良好” = “抗EMI性能出色”**
-</WRAP>
-换句话说，抗EMI性能出色的运算放大器是指不易受外部噪声影响的运算放大器。
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-ROHM还拥有抗EMI性能出色的运算放大器产品阵容。如欲获取详细信息，请点击产品页面。
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/standard/emi-automotive|抗EMI性能出色的接地检测运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/standard/emi-automotive-input-output-rail-to-rail|抗EMI性能出色的Rail-to-Rail运算放大器 （产品搜索）]]
-# 代表性参数
-## 代表性参数（放大率和电压增益）
-### 放大率和电压增益<放大率和电压增益>
-若给放大电路的输入增加电压，则在其输出时，会出现输入电压放大率的倍数。该放大率用输出电压的大小除以输入电压的大小所得的值表示。
-若将输入电压表示为Vs 、输出电压表示为Vo 、放大率表示为Av，则可定义如下。
-{{ ::img_01_1_.gif |}}
-### 什么是分贝（dB）？
-放大率常用对数的20倍用分贝[dB]单位表示。
-例如，运算放大器的开放增益为100000倍(105倍)时，可将其用分贝表示如下。
-{{ ::da_what3_02.jpg |}}
-这样，即使是有10的多个次方的庞大放大率，若使用分贝表示，就可表示为较小数值100[dB]。
-另外，以下整理了表示模拟电路所需的各种单位。
-**(a) dB ： 2个量之比的对数的10倍或20倍。**
-{{ ::img_02_1_.gif |}}
-**(b) Vp-p ： 波形的最大值与最小值之差。**
-**（c） Vrms ： 有效值 平方均值的平方根。**
-<WRAP centeralign round box 100%>
-Vrms = 2√2
-</WRAP>
-**(d) dBV ： 以1Vrms为基准的表达式。**
-<WRAP centeralign round box 100%>
-dBV= 1Vrms
-</WRAP>
-**(e) dBm ： 以对某负载产生1mW的功率的电压为基准。
-普通负载的值多为50Ω、600Ω等。**
-<WRAP centeralign round box 100%>
-dBm=0.224Vrms （负荷为50Ω时）
-dBm=0.775Vrms （负荷为600Ω时）
-</WRAP>
-**(f) oct ： 为"倍频程"，1oct表示某频率的2倍的值。
--6dB/oct表示频率为2倍时，降低6dB。**
-**(g) dec ： 为"十倍频程"，1dec表示某频率的10倍。
--20dB/oct表示频率为10倍时，降低20dB。
-※根据(f)、(g)、 -6dB/oct= -20dB/dec。**
-**(h) dB（分贝）计算基础**
-<WRAP centeralign round box 100%>
-dB ≒ 1.41倍 ≒ √2
-dB ≒ 2.00倍
-dB ≒ 3.16倍
-dB ≒ 10倍
-ex)16dB=10dB+6dB → 3.16×2=6.32倍
-</WRAP>