第十章 運算放大器 1

基本的運算放大器 圖 10.1 運算放大器簡稱 op-amp是個非常高增益的差動放大器，而且具有高輸入阻抗(典型地有數M W) 以及低輸出阻抗 (少於100 W)。 ＊運算放大器有兩個輸入與一個輸出。 2

Op-Amp 增益 Op-Amps 具有非常高的增益，且可以接成開迴路或閉迴路電路。 開迴路是輸出到輸入沒有任何回授的組態，在開迴路組態之增益可超過10000。 閉迴路組態是利用回授路徑控制op-amp的增益。如為負回授則具有降低增益以及改善op-amp的許多特性。 。 3

Op-Amp單端輸入 圖 10.2 。 4

Op-Amp雙端（差動）輸入 圖 10.3 5 。

Op-Amp雙端輸出 圖 10.4 雙端輸出 圖 10.5 單端輸入雙端輸出 圖 10.7 差動輸入差動輸出 圖 10.6 差動輸出 6 。

Op-Amp共模操作 圖 10.8 7 。

差動放大器電路 圖 10.9 差動放大器的主要特徵，即相較於相同輸入信號所得的增益，其相反輸入信號可得到非常高的增益。差動增益和共模增益的比率稱為共模拒絕比( common-mode rejection ratio ) 8 。

差動放大器電路直流偏壓 圖 10.10 9 。

差動放大器之交流操作 圖 10.13 圖 10.12 10 。

單端交流電壓增益 圖 10.15 圖 10.14 11 。

單端交流電壓增益 圖 10.16 12 。

例題 例題 10.2 圖 10.17 13 。

雙端交流電壓增益 分析雙端交流電壓增益其方法與單端方式類似，當信號輸入兩端時，其差動電壓增益為 14 。

共模操作電路 圖 10.18 15 。

共模操作電路 圖 10.19 16 。

定電流源 一個好的差動放大器必需具有很大的差動增益Ad，它比共模增益高出很多。若將共模增益（理想為零）盡可能降低，可使大大改善電路共模拒絕比。由式(10.6)可知，若使RE愈大，將可得到更小的AC值。通常提高RE交流值的方是就是使用定電流源電路。 17 。

定電流源 圖 10.20 具有定電流源的差 動放大器 圖 10.21 交流等效電路 18 。

例題 例題 10.4 圖 10.22 19 。

BIFET、BIMOS與CMOS差動放大電路 在IC元件中所包含的差動放大器，若使用雙極性(Bi)與接面場效(FET)電晶體兩種，稱之為BiFET電路。 在IC元件中所包含的差動放大器，若使用雙極性(Bi)與MOSFET(MOS)電晶體兩種，稱之為BiMOS電路。 在IC元件中所包含的差動放大器，若使用相反型是的MOSFET，稱之為CMOS電路。 20 。

BIFET、BIMOS與CMOS差動放大電路 在數位電路中是以CMOS為主要元件，它係使用n-通道與p-通道增強型MOSFET電晶體所構成。 圖 10.23 CMOS反相器電路 21 。

nMOS與pMOS導通/截止操作 圖 10.24 pMOS: nMOS: 在VGS=0V時，pMOS為 ”截止” 在輸入為0V時，nMOS為 ”截止” 在輸入為+5V時，nMOS 為”導通” 22 。

CMOS電路之操作 輸出+5V 輸出0V 圖 10.25 23 。

BiFET差動放大器電路 圖 10.26 24 。

BiMOS差動放大器電路 圖 10.27 25 。

CMOS差動放大器電路 圖 10.28 26 。

基本的運算放大器 圖 10.29 基本的運算放大器 實際的 理想的 圖 10.30 運算放大器的交流電路 27

運算放大器的基本電路接法 圖 10.31 輸入信號是加在反相輸入端(–)。 非反相輸入端 (+) 是接地。 電阻器 Rf 是 回授電阻器， 它是連接自輸出端到反相輸入端。 此為 負回授連接。 28

交流等效電路 交流等效電路 理想運算放大器的等效電路 重畫的等效電路 圖 10.32 29

交流等效電路 30

交流等效電路 31

反相的 Op-Amp 增益 圖 10.31 增益可以由外在的電阻器：Rf 與 R1來決定 單位增益—電壓增益是 1 負號表示輸入與輸出之間 180 相位移 圖 10.31 定值增益—Rf 是R1的倍數 32

虛接地 瞭解虛接地 的概念可提供較佳之理解op-amp如何操作。 非反相輸入腳是在接地，對交流信號而言，反相輸入腳也是在0V。 圖 10.31 op-amp 有如此高輸入阻抗且有高增益而沒有電流自反相輸入腳流過，因此自反相輸入腳到地無電壓存在，所以所有電流是流過 Rf 。 圖 10.33 33

實際Op-Amp電路 Op-amp基本電路: 反相放大器 單位隨耦器 加法放大器 積分器 微分器 34

反相/非反相Op-Amps 反相放大器 非反相放大器 圖 10.34 圖 10.35 35

單位隨耦器 圖 10.36 36

加法放大器 由於op-amp有高輸入阻抗，多重輸入是看成個別輸入。 圖 10.37(a) 37

積分器 輸出是輸入的積分，積分是一周期時間的波形或曲線下面積總合之操作。此電路在低通濾波器電路與感應調節電路是有用的。 圖 10.38 38

微分器 微分器是對輸入取導數，此電路是有用於高通濾波器電路。 圖 10.41 39

Op-Amp特性—直流抵補參數 即使在輸入電壓是零時，會有輸出而稱為抵補。下列方式可產生此抵補: 輸入抵補電壓 由於輸入抵補電流產生的輸出抵補電壓 由於輸入抵補電壓與輸入抵補電流產生的總抵補電壓 輸入偏壓電流 40

輸入抵補電壓 (VIO) op-amp 的規格表上指示出輸入抵補電壓 (VIO). 這種輸入抵補電壓對輸出的影響可以計算如下 圖 10.42 41

由於輸入抵補電流產生的輸出抵補電壓 (IIO) 對相同外加輸入如果在直流偏壓電流之間有差異，那麼也會產生輸出抵補電壓: 輸入抵補電流 (IIO) 是規定在op-amp的特性表上 對輸出的影響可以計算如下 圖 10.44 圖 10.45 42

由於VIO 與 IIO產生的總抵補 Op-amps 會因為有 VIO 與 IIO兩因素所產生的輸出抵補電壓，總輸出抵補電壓是這兩者效應之和: 43

輸入偏壓電流 (IIB) 此參數是關係到輸入抵補電流 (IIO)而稱為輸入偏壓電流(IIB) 輸入偏壓電流分別是: 總輸入偏壓電流是取平均: 44

Op-Amp特性—頻率參數 op-amp 是寬頻帶放大器， 下面是影響op-amp頻寬的因素: 增益 迴轉率 45

增益與頻寬 op-amp的高頻響應是受內部電路的限制，在圖形上顯示的開回路增益(AOL 或 AVD)， 這意謂著 op-amp 是操作在無回授電阻器之最高可能的增益。 在開回路上，op-amp 有窄的頻寬。但在閉回路上之頻寬增寬而該增益是較低的。 圖 10.47 46

回轉率 (SR) 回轉率是當op-amp在無失真時的改變輸出最大比率。 SR額定值是在規格表上的 V/s 值來提供。 47

最大信號頻率 回轉率決定op-amp在無失真下的最大頻率 。 其中 VP 是峰值電壓 48

一般Op-Amp特性 對op-amp 在特性表上找到其它的額定: 最大絕對額定值 電氣特性 操作特性 49

絕對額定值 這些是op-amp的一般最大額定值 50

電氣特性 注意這些額定是對特定電路情況與所包含的最小、最大以及典型值。 51

共模拒絕比(CMRR) 值得提示的一個額定值，就是op-amps之CMRR或共模拒絕比。因op-amp 有兩個輸入是反對任何同相位信號 (反相輸入與非反相輸入)，也就是共同的輸入信號會被消除。能消除掉共同信號能力之測量是稱為CMRR。 52

Op-Amp 動作 在特性表也會包含有圖形而指示出op-amp 在整個條件寬範圍下的動作特性。 53

差動與共模操作 運算放大器的輸出信號有兩部分，一部份是對不同極性的信號差值加以放大所得輸出，另一部份則是來自同極性的信號。由於對相反極性信號的放大率遠超過對同極性的信號，於是此類電路形成一種對共模信號的排斥作用，通常以共模拒絕比(CMRR)來加以量化。 54

差動與共模操作 55

差動與共模操作 共模拒絕比(CMRR) 以共模拒絕比(CMRR)表示輸出電壓 56