篇 名
運算放大器(OPA)原理之探討
作 者
蔡佳志。 國 立 金 門 農 工 。 子 三 甲
王少軒。 國 立 金 門 農 工 。 子 三 甲
翁明陽。 國 立 金 門 農 工 。 子 三 甲
運算放大器(OPA)原理之探討
前言:
近幾年來，電子元件不段地演變‧創新，使得科技興盛，其中運算放大器 (OPA)因其性能優越，使用簡便及價格低廉等優點，已經變成使用廣泛，普及化 的固態電子裝置，不但在高級的電子儀器裡，運算放大器(OPA)屢用不鮮，就是 一般消費性電子產品中，以運算放大器(OPA)為組成要項的線性積體電路也相當 普遍，因是之固對依個電子本科系學生‧技術員‧工程師而言，熟悉了解運算放 大器(OPA)的理論，基本功能及其應用技巧乃為必備應有的知識，在今日科技領 域中，運算放大器(OPA)廣泛使用，也從基本型演化出多種型態，每種都有屬於 它的特性及優略，所以想了解這眾多的運算放大器(OPA)家族，就一定需要知道 最基本運算放大器(OPA)之內部電路解析，基本之特性及其作用，其次再從常見 之運算放大器(OPA)下手，一步ㄧ步的往下深深一般。
摘要
:1 運算放大器(OPA)初步須知。2.理想運算放大器(OPA)之特性。
3.運算放大器(OPA)基本電路。
4.結論。
ㄧ
將許多電晶體‧電阻‧電容等元件連接組合在一起小晶片上，在將此晶片加以封 裝，即成為一獨立元件，這就是所謂線性積體電路，亦稱 IC 運算放大器(OPA)。
下圖為運算放大器(OPA)的結構方塊圖:
反相輸入
輸出
差
定電流源
VCC
輸
阻
非反相輸入
器 抗 入 高
低阻抗輸出放大器 高增益電壓放大器
動 放 大
運算放大器(OPA)最重要的特性是:
(1) 高的輸入阻抗，因此在輸入端產生的電流可忽略。
(2) 非常高非常的開路增益。
(3) 非常低的輸出阻抗，所以放大器接負載時並不影響輸出。
標準運算放大器(OPA)符號圖如下:
+ - 非反相輸入(以正號表示)
+V正電源
乂乂乂指的是opa的型態或編號
反相輸入(以負號表示) 輸出端
其他接腳 -v 負電源 乂乂乂
其他接腳
二
實際的運算放大器(OPA)與理想運運算放大器(OPA)的特性極為接近，為了運算 放大器(OPA)之設計及增億計算的方便，因此一般在討論時，均把它看成理想運 算放大器(OPA)來操作。
其內部等效電路圖如下:
輸出端
＋ Vo
V2
Ri＝∞
Vi
＋ 反相輸入端
V1
非反相輸入端
Ro=0
－
AvoVi
－
(A)理想的 OPA
輸出端
＋ Vo
－
Ri
＋ 反相輸入端
非反相輸入端
Ro
－
AvoVi
(B)實際的 OPA 理想運算放大器(OPA)具下列特性:
(1)輸入電子無限大 Ri=∞，即輸入電流為零 Ii=0。
(2)輸出電阻為零 Ro=0。
(3)開環路電壓增益無限大 Av= -∞
(4)頻帶寬度無限大 BW=∞
(5)輸入抵補電壓等於零時 Vo=0(電路平衡)。即當 Vi1=Vi2 時，Vo=0。
(6)共模拒斥比無限大 CMRR=∞，即因共模增益等於零 Ac=0。
(7)特性不受溫度變化而漂移。
(8)響應時間為零，即無時間延遲。
三
1 電壓比較器:
一個電壓比較器是用來比較一個輸入端的電壓與另一個輸入端的電壓。如下圖所 示為最基本的的電壓比較器，在這簡單的電路(開路增益模式)組合中，只要兩個 輸入端有任何少許的差別，將推動輸出端到達飽和(saturation)。輸出達到飽和的 方向取決定輸入信號的極性，當反向輸入端電壓比非反向輸入端電壓為正時，輸 出電壓將擺到負飽和(-Vsat)。同理當反向輸入端電壓比非反向輸入端為負時輸出 電壓將擺到正飽和(+Vsat)。
+ - R1
R2
v out
RL v 1
v 2
vout = vsat × sing (v2-v1)
以下基本電路需先了解運算放大器(OPA)之重要觀念:
虛接地(Virtual ground)
如下圖(a)所示為加有反饋元件的反相運算放大器(OPA)電路，由於加在運算放大 器(OPA)中的電阻 R1 與 Rf 為有限值，因而形成電壓並聯反饋電路。對理想運算 放大器(OPA)而言:
(1) 音輸入電阻無限大(Ri＝∞)以沒有電流流入放大器的輸入端，即 Ii=Vi/Ri=Vi/
∞
，輸入端如同開入不吸取電流，因此流過 R1 的電流 I1 也”完全”流經 Rf，所以 I1=If。
(2)因開路電壓增益無限大(Av)，所以放大器的差動輸入電壓為零，即
Vi=Vo/Av=Vo/∞ ,所以輸入在實效上是短路的。因此非反向輸入端的電位 V+將等於紡線輸入端的電位 V-，即因 Vi=V+－V-=0，所以 V-=V+。
綜合上敘述，在運算放大器(OPA)中，兩輸入端間電位差為零伏特，如同短路。
且又沒有電流流入這兩個輸入端，因此輸入端好像在一條虛設的短路線，此時 Vi=0，Ii=0，在各個的運算放大器(OPA)的分析及設計中將反覆地運用此項特性。
+ - Rf
v o v 1
R1
I1 ViIi
(a)
v1
1
v-
vo
v o R1
I1
v+
虛接地
R2
If
(B)
2.反相放大器
一個放大器再其輸入端接受一個小的電壓或電流，在其輸出端產生一大電壓或電
流，一個運算放大器(OPA)具有相對的線性增益及輸出可由輸入控制的函數。下 圖顯示最基本的反向放大器。
v out +
-
RL Rf
v in R1
AV=-Rf/R1 Vout =-RfVin/R1
3 非反向放大器
運算放大器(OPA)可以使用非反向放大器，如下圖所示。在這種電路組合用來控 制增益的回受，是加在反向輸入端，但 Vin 是加在非反向輸入端，輸出電壓是與 輸入電壓相同。
v out +
-
RL Vin
R1
Rf
Av =Rf/R1 +1 Vout =(Rf/R1 +1)Vin
4 電壓隨耦器
電壓隨耦器通常定義為電路增益為 1 或輸出電壓隨者輸入電壓些微減少。減少存 在於輸入與輸出間的阻抗是隔離的。運算放大器(OPA)的電壓隨耦器是特有用。
如下圖所示。
v out +
-
RL Vin
Vout = Vin
5 電壓和放大器
基本的反相放大器，加上另一輸入電阻，即可做成一個反相總和放大器或類比加 法器。如下圖所示。
v out +
-
RL R2
V1
V2 R1
Rf
Vout = - ( RfV1/R1+RfV2/R2+…..RfVn/Rn)
6 電壓差放大器
電壓差電路類似於電壓比較器，兩輸入端用來感知兩者間的電位差，但這時電路 是採用閉路模式，結果輸出電壓變為可以控制及可預知。如果外加電阻都相等的 話電壓差放大器就像類比數學電路而通常稱為電壓減法器。如下圖所示。
v out +
-
RL R2
V1 V2
R1
Rg Rf
Vout =-RfV1/R1+(Rg/R2+Rg)+(R1+Rf/R1)V2 如果 R1=R2=Rf=Rg
則 Vout =V2-V1
經過各種書籍的蒐集資料後，我們發現運算放大器可以配合其他零件來達到其他 不一樣的功能，例如他可以作加，減，乘，除，微分和積分的運算，也有放大功 能，和比較功能，為了讓我們可以更佳利用，我們一定要先了解他的一些特性和 結構，所以經由以上的說明，相信只要看過的人都可以有大部分的了解，並且獲 益良多。
參考文獻
1 運算放大器手冊(歐福源，劉良俊) 2 運算放大器原理與應用(魏哲和) 3 運算放大器規格表(全華)
