运算放大器(简称“运放”)是模拟电路领域常用的电子元器件之一，属于有源元件，具有多个端钮，可以实现对信号的加减乘除、比例运算、微分和积分等计算，也可以用来处理电信号，如比较和选择信号的幅度。如今运算放大器凭借其优点广泛应用于自动控制系统、各种测量装置中，对电子科技的发展有着重要的意义。

一、运算放大器的工作原理

        运算放大器有三个端口，其中有两个输入端口，分别为“+”和“-”，一个输出端口。当输入信号从“-”端口输入放大器时，输出端的输出信号与输入信号反相；反之，当输入信号从“+”端口输入放大器时，输出端的输出信号与输入信号同相；当两个输入端口同时输入信号时，运算放大器实现减数运算，输出信号与较大的一方同相。所以说，运算放大器基本上可以说是一个电压放大器。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。基本的运算放大器电路如下图所示：

        通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端(inverting input node)连接，形成一负反馈(negative feedback)状态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈(positive feedback)，相反地，在很多需要产生震荡讯号的系统中，正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。

二、运算放大器的常用电路
1、闭环负反馈
        将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入讯号进入放大器的端点，又可分为反相(inverting)放大器与非反相(non-inverting)放大器两种。

        反相闭环放大器如图3。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端为虚接地(virtual ground)，其输出与输入电压的关系式为Vout=-(Rf/Rin)*Vin。

        非反相闭环放大器如下图。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端电压差几乎为零，其输出与输入电压的关系式为Vout = ((R2/R1)+1)* Vin。

2、闭环正回馈
        将运算放大器的正向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在正回馈的状况，由于正回馈组态工作于一极不稳定的状态，多应用于需要产生震荡讯号的应用中。

3、开环电路
        开环回路运算放大器如下图。当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时，其输出与输入电压的关系式为Vout=(V+-V-)*Aog。

        其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益(open-loop differential gai)由于运算放大器的开环回路增益非常高，因此就算输入端的差动讯号很小，仍然会让输出讯号「饱和」(saturation)，导致非线性的失真出现。因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中，少数的例外是用运算放大器做比较器(comparator)，比较器的输出通常为逻辑准位元的「0」与「1」。

三、运算放大器的电气参数解读
1、输入端
①输入失调电压 Vos
        输入失调电压定义为集成运算放大器输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是高精度运算放大器或是用于直流放大时。运放的输入失调电压来源于运放差分输入级两个管子的不匹配，因为受工艺水平的限制，这个不匹配是不可避免的，所以为了使运放的输出电压等于0，必需在运放两个输入端加一个小的电压以达到平衡，而这个需要加的小电压即为输入失调电压 Vos。

②输入失调电压的温度漂移
        输入失调电压的温度漂移简称输入失调电压温漂，是指在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。一般运放的输入失调电压温漂在 ±10~20μV/℃之间，高精度运算放大器的输入失调电压温漂小于 ±1μV/℃。

③输入偏置电流Ib
        输入偏置电流Ib，是指第一级放大器输入晶体管的基极直流电流，同时也定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入偏置电流在 ±10nA~1μA之间；采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一般低于1nA。

④输入偏置电流的温度漂移
        输入偏置电流的温度漂移简称输入偏置电流温漂，跟输入失调电压温漂一样，因为温度的影响造成电流大小漂移。运放的输入偏置电流会随着温度的变化而变化，如下图所示，输入偏置电流会在高于 25度时快速的升高。在 100度时的输入偏置电流是 25度时的几百倍。如果设计的系统是在很宽的温度范围内工作，这一因素不得不考虑。

⑤输入失调电流Ios
        输入失调电流Ios是指两个差分输入端偏置电流的误差。输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。由于工艺上很难做到两个管子的完全匹配，所以这两个管子Q1和Q2的基极电流总是有这么点差别（如下图），也就是输入的失调电流。

        关于输入失调电流与输入偏置电流的区分。

        输入失调电流与输入失调电压一样，都是描述运放差分输入的对称性的。理想的差分输入应该是完全对称的，但由于设计和工艺过程的偏差，正负两个输入端的特性不会完全相同。这两个失调参数的定义是，当输出为0时两个输入端的输入电压差(失调电压)和输入电流---即偏置电流的差(失调电流),，显然在理想状态下它们都应该为0。

        为了使运放输入级放大器工作在线性区，所必须输入的一个直流电流，就是输入偏置电流。在双极晶体管输入的运放，偏置电流就是输入管的基极电流,，在MOS管输入的运放是指栅极漏电流。

输入失调电流=|IB1-IB2|
输入偏置电流=1/2（IB1+IB2） IB1、IB2为输入级差放管的输入偏置电流

⑥共模输入电压Vcm
        共模输入电压Vcm，是指运放正常工作时输入电压的范围，如输入电压过高或者过低，会造成运放电路不同的MOS管进入线性区，从而使电路不能正常的工作。其中，最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输入电压范围，在有干扰的情况下，需要在电路设计中注意这个问题。

⑦差模输入阻抗
        差模输入阻抗是指运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻。

⑧共模输入阻抗
        共模输入阻抗是指运放工作在输入信号时（即运放两输入端输入同一个信号），共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下，它表现为共模电阻。

2、输出端
①输出电压摆幅（Output Voltage Swing）

        输出电压摆幅是指当运放工作于线性区时，在特定负载条件下，输出的最大值和最小值之差，是输出能力的一种指标；简单的理解就是输出电压的范围。除低压运放外，一般运放的输出电压摆幅大于±10V。对于一般运放的输出电压摆幅是不能达到电源电压，这是由于输出级设计造成的；但是现代的部分低压运放的输出级都做了特殊处理，使得在10kR负载时，输出电压摆幅接近到电源电压的50mV以内，所以称为满幅输出运放，又称为轨到轨（raid-to-raid）运放。

        轨到轨（Rail to Rail），是指器件的输入输出电压范围可以达到电源电压。但是不是所有的rail to rail 运放输入和输出都接近电源，有的只是输入，有的只是输出，当然也有的输入输出都是rail to rail 的。该类运放的最大特点就是可以扩展信号的电压范围，但一般输出电流较小，在大电流的情况下并不能保证rail to rail。

        需要注意的是，运放的输出电压摆幅与负载有关，负载不同，输出电压摆幅也不同；运放的正负输出电压摆幅不一定相同。对于实际应用，输出电压摆幅越接近电源电压越好，这样可以简化电源设计。但是现在的满幅输出运放只能工作在低压，而且成本较高。

②共模抑制比
        共模抑制比是指放大电路对差模信号的电压增益与对共模信号的电压增益之比的绝对值。共模抑制比是一个极为重要的指标，它能够抑制差模输入中的共模干扰信号；因为我们要抑制零漂所以共模电压增益越小越好，而差模电压增益越大越好，所以希望 CMRR越大越好，CMRR越大，放大电路的性能越优良。由于共模抑制比很大，大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝方式记录和比较。一般运放的共模抑制比在 80~120dB之间。

③开环增益Aol
        在不具负反馈情况下(开环路状况下)，运算放大器的放大倍数称为开环增益，记作Aol，有的 datasheet上写成：Large Signal Voltage Gain。Aol的理想值为无限大，一般约为数千倍至数万倍，其表示法有使用 dB及 V/mV等。

④增益带宽
        增益带宽积（GBW）是放大器带宽和带宽增益的乘积。这项参数主要是针对运算放大器，它可以让电路设计人员通过指定的器件频率（或频带）来确定其最大增益，反过来也同样适用。

        单位增益带宽是指，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的 0.707）所对应的信号频率。这项参数用于小信号处理的运放选型。

        一般运放的都是用增益带宽积GBW来表征其处理交流信号的能力，是一个常数。单位增益带宽是指在运放电路闭环增益为0db时的带宽。

⑤压摆率SR（转换速率）
        压摆率又称作转换速率，是与运放的增益带宽积（GBW）同等重要的一个参数；可以理解为，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得输出信号的最大变化速度；反映的是一个运算放大器在速度方面的指标，表示运放对信号变化速度的适应能力，是衡量运放在大幅度信号作用时工作速度的参数。转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标，对于一般运放转换速率 SR<=10V/μs，高速运算放大器的转换速率 SR>10V/μs。目前的高速运放最高转换速率 SR达到 6000V/μs。这项参数用于大信号处理的运放选型。

        以上就是关于运算放大器的基本原理和参数解读，希望能给各位客户朋友带来帮助。