芝識(shí)課堂——運(yùn)算放大器（一），電路設(shè)計(jì)圖中給力的“三角形”

從本文開始，我們要為您介紹在電路設(shè)計(jì)中非常重要且會(huì)頻繁出現(xiàn)的角色——運(yùn)算放大器。我們會(huì)說明運(yùn)算放大器的基本定義、內(nèi)部原理、運(yùn)作方式以及它們的電氣特性，先來看看運(yùn)算放大器是什么模樣。

運(yùn)算放大器長(zhǎng)這樣

運(yùn)算放大器（Operational Amplifier，簡(jiǎn)稱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(jí)放大電路組成，能夠?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算等處理。

在電路中，運(yùn)算放大器的符號(hào)是一個(gè)三角形。圖1中的運(yùn)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(fù)電源。這里“反相”和“同相”表示相對(duì)于輸出的極性。

施加于同相輸入端的電壓相對(duì)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(duì)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(dāng)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?。?dāng)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(yùn)算放大器用途非常廣泛。例如，東芝I/O全系列運(yùn)算放大器TC75S102因?yàn)榫哂谐碗娏飨牡奶攸c(diǎn)，最適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行場(chǎng)景。再比如東芝的低噪聲運(yùn)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(xiàn)高靈敏度、高精度的傳感性能，對(duì)微弱的有用信號(hào)進(jìn)行有效放大。

運(yùn)算放大器內(nèi)部的運(yùn)行“周天”

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

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

運(yùn)算放大器各部分的功能如下：

● 差分輸入對(duì)：放大VIN(+)輸入端與VIN(-)輸入端之間的電壓差

● 電流鏡：為構(gòu)成差分輸入對(duì)的Qp1和Qp2提供等量電流。電流鏡用作差分輸入對(duì)的負(fù)載電阻。電流鏡的輸出端（即差分輸入對(duì)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(jí)差分放大器具有高增益。這種由晶體管構(gòu)成的電阻負(fù)載稱為有源負(fù)載。

● 電流源：確定流向差分輸入對(duì)和共源放大器的電流量。電流源用作共源放大器的有源負(fù)載。

● 共源放大器：為連接至輸出端的外部負(fù)載提供驅(qū)動(dòng)電流，并補(bǔ)償?shù)谝欢尾罘址糯笃鞯脑鲆妗?/p>

我們來看下帶有恒流源（Qp3）的電路（圖2）。假設(shè)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(duì)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(duì)于共模輸入電壓，輸出電壓均保持恒定。（Qp3的VSD_p3補(bǔ)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(duì)的電流也會(huì)相應(yīng)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(yīng)變化。但I(xiàn)D僅隨VDS略微變化。故ID無顯著變化。）當(dāng)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?cè)賮砜聪聦?duì)VIN(+)和VIN(-)施加不同電壓的情況（圖4）。Qn2的漏極電壓（VD_n2）從初始電壓開始升高。增加的VD_n2被轉(zhuǎn)移至后續(xù)的共源放大器。共源放大器的VGS_n3升高，導(dǎo)致ID_n3增大。但I(xiàn)D_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(dǎo)致ID_n3增大，故Qn3的漏源電壓（VDS_n3）降低。這意味著當(dāng)VIN(-)電壓升高時(shí)，VOUT電壓會(huì)降低。

本篇我們了解了運(yùn)算放大器的基本定義和內(nèi)部工作原理，下篇我們將分享運(yùn)算放大器在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的正確“打開方式”。

文章來源：東芝半導(dǎo)體