芝識課堂——運算放大器（一），電路設計圖中給力的“三角形”

從本文開(kāi)始，我們要為您介紹在電路設計中非常重要且會(huì )頻繁出現的角色——運算放大器。我們會(huì )說(shuō)明運算放大器的基本定義、內部原理、運作方式以及它們的電氣特性，先來(lái)看看運算放大器是什么模樣。

運算放大器長(cháng)這樣

運算放大器（Operational Amplifier，簡(jiǎn)稱(chēng)Op-Amp）是一種具有高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗的直流耦合放大器件。它通常由多級放大電路組成，能夠對輸入信號進(jìn)行放大、運算等處理。

在電路中，運算放大器的符號是一個(gè)三角形。圖1中的運算放大器有五個(gè)端子：1）同相輸入；2）反相輸入；3）輸出；4）正電源；及5）負電源。這里“反相”和“同相”表示相對于輸出的極性。

施加于同相輸入端的電壓相對于反相輸入電位放大了AV倍。輸出端與同相輸入端具有相同的相位。施加于反相輸入端的電壓相對于同相輸入電位也放大了AV倍。輸出端與反相輸入端具有相反的相位。

輸出端提供的電壓等于反相輸入端與同相輸入端之間的電壓差乘以AV。當反相輸入端與同相輸入端具有相同電壓和相位時(shí)，輸出電壓變?yōu)榱?。當反相輸入端與同相輸入端具有相同電壓但相位相反時(shí)，輸出端與同相輸入端同相，所得到的電壓等于二者的電壓差乘以AV后的兩倍。

運算放大器用途非常廣泛。例如，東芝I/O全系列運算放大器TC75S102因為具有超低電流消耗的特點(diǎn)，最適合物聯(lián)網(wǎng)設備的長(cháng)期運行場(chǎng)景。再比如東芝的低噪聲運算放大器TC75S67TU，將其和高性能傳感器元件配合使用，可以實(shí)現高靈敏度、高精度的傳感性能，對微弱的有用信號進(jìn)行有效放大。

運算放大器內部的運行“周天”

圖2顯示了運算放大器的簡(jiǎn)化等效電路，其由多個(gè)MOSFET組成。為使CMOS運算放大器正常工作，這些MOSFET必須在飽和區工作。圖3顯示了MOSFET的飽和區。

MOSFET在該區域內的工作方式如下：1，隨著(zhù)柵極-源極電壓的升高，漏極電流增大；2隨著(zhù)漏極-源極電壓的升高，漏極電流略微增大。漏極電流的細微變化會(huì )引起漏極-源極電壓的顯著(zhù)變化。

運算放大器各部分的功能如下：

● 差分輸入對：放大VIN(+)輸入端與VIN(-)輸入端之間的電壓差

● 電流鏡：為構成差分輸入對的Qp1和Qp2提供等量電流。電流鏡用作差分輸入對的負載電阻。電流鏡的輸出端（即差分輸入對的漏極端子）通常具有高阻抗，很難用典型電阻器獲得這么高的阻抗。因此，第一級差分放大器具有高增益。這種由晶體管構成的電阻負載稱(chēng)為有源負載。

● 電流源：確定流向差分輸入對和共源放大器的電流量。電流源用作共源放大器的有源負載。

● 共源放大器：為連接至輸出端的外部負載提供驅動(dòng)電流，并補償第一段差分放大器的增益。

我們來(lái)看下帶有恒流源（Qp3）的電路（圖2）。假設施加于VIN(-)和VIN(-)的輸入電壓升高了ΔV，增至（VDD–VIN+ΔV）。由于此電路有一個(gè)電流源，故流入差分輸入對的電流保持不變。因此，Qn1的漏源電壓（VDS_n3）保持不變。同理，VDS_n2保持不變。因此，對于共模輸入電壓，輸出電壓均保持恒定。（Qp3的VSD_p3補償ΔV。由于電流源的源漏電壓發(fā)生變化，故流向差分輸入對的電流也會(huì )相應變化。由于電流源的漏源電壓發(fā)生變化，故漏極電流（ID）也相應變化。但ID僅隨VDS略微變化。故ID無(wú)顯著(zhù)變化。）當共模輸入電壓施加于VIN(+)和VIN(-)時(shí)，電流源的作用就是保持輸出電壓恒定。

讓我們再來(lái)看下對VIN(+)和VIN(-)施加不同電壓的情況（圖4）。Qn2的漏極電壓（VD_n2）從初始電壓開(kāi)始升高。增加的VD_n2被轉移至后續的共源放大器。共源放大器的VGS_n3升高，導致ID_n3增大。但ID_n3的增大受到電流源的Qp4的限制。由于VGS_n3的升高不會(huì )導致ID_n3增大，故Qn3的漏源電壓（VDS_n3）降低。這意味著(zhù)當VIN(-)電壓升高時(shí)，VOUT電壓會(huì )降低。

本篇我們了解了運算放大器的基本定義和內部工作原理，下篇我們將分享運算放大器在系統設計中的正確“打開(kāi)方式”。

文章來(lái)源：東芝半導體