一、运放的工作原理
1. 基本结构
运算放大器（Operational Amplifier, Op-Amp）是一种高增益的直接耦合差分放大器，核心由差分输入级、电压放大级、输出级和偏置电路组成。其符号如下：
同相输入端（ )：信号由此输入时，输出与输入同相位。
反相输入端（ )：信号由此输入时，输出与输入反相位。
输出端（ )：放大后的信号输出。
2. 理想运放特性
开环增益（ )：无穷大（实际为 ）。
输入阻抗：无穷大（实际为 ）。
输出阻抗：零（实际为 ）。
带宽：无穷大（实际受增益带宽积限制）。
共模抑制比（CMRR）：无穷大（实际 ）。
3. 实际运放的非理想特性
输入失调电压（ )：输入电压差为零时，输出存在的电压偏移（典型值：1 μV ~ 5 mV）。
输入偏置电流（ )：输入端流入/流出的小电流（典型值：pA ~ μA）。
压摆率（Slew Rate, SR）：输出电压最大变化速率（典型值：0.5 V/μs ~ 1000 V/μs）。
增益带宽积（GBW）：增益与带宽的乘积，决定频率响应（例如：1 MHz 的运放在增益为 10 时带宽为 100 kHz）。
二、关键参数及其意义
参数
意义
典型值
影响场景
开环增益（ )
无反馈时的电压放大能力
决定闭环精度
输入失调电压（ )
输入为零时的输出偏移
1 μV ~ 5 mV
高精度测量系统
输入偏置电流（)
输入端电流需求
pA ~ μA
高阻抗传感器接口
共模抑制比（CMRR）
抑制共模信号的能力
80 ~ 120 dB
差分放大、噪声抑制
增益带宽积（GBW）
增益与带宽的乘积，决定可用带宽
1 MHz ~ 100 MHz
高频信号处理
压摆率（SR）
输出信号的最大变化速率
0.5 V/μs ~ 1000 V/μs
高速脉冲、音频信号保真度
电源电压范围
运放正常工作的电源电压范围
±2.5V ~ ±18V
低电压/高压系统设计
输入/输出轨到轨
输入或输出信号能否接近电源电压
是/否
低电压供电系统
三、运放的核心作用
1. 信号放大
放大微弱信号（如传感器输出）。
支持反相、同相、差分等多种放大模式。
2. 数学运算
加法/减法：实现多信号叠加或差值计算。
积分/微分：用于模拟计算或波形变换。
3. 信号调理
滤波：有源低通、高通、带通滤波器。
阻抗匹配：电压跟随器（高输入阻抗，低输出阻抗）。
4. 比较与切换
比较器：判断输入信号大小，输出高/低电平。
振荡器：与RC网络配合生成周期性信号。
四、典型应用电路
1. 反相放大器
公式：
特点：输入阻抗低（ ），输出反相。
2. 同相放大器
公式：
特点：输入阻抗高，输出同相。
3. 电压跟随器
公式：
作用：隔离前后级电路，缓冲高阻抗信号源。
4. 差分放大器
公式：R1/R4=R2/R3=RB/RA
应用：抑制共模噪声（如电桥传感器信号提取）。
5. 积分电路
公式：
应用：波形生成（三角波）、控制系统。
6. 有源低通滤波器
截止频率：
特点：高频衰减，低频通过。
五、应用场景
场景需求推荐运放类型音频放大低噪声、高保真NE5532、OPA2134传感器信号调理高精度、低失调电压AD8628、OPA2188数据采集系统高速、高分辨率AD8065、ADA4898-1电源管理宽电源范围、高PSRRLM358、TLV9002医疗设备低功耗、低噪声LTC2057、AD8605汽车电子高可靠性、宽温范围TLE2021、LM2904
六、运放选型步骤
1. 明确系统需求
电源电压：单电源（3.3V/5V）还是双电源（±15V）？是否需要轨到轨？
信号特性：带宽（如音频 20 kHz，视频 10 MHz）、幅度（mV 或 V 级）、精度要求（如 12 位 ADC 需 。
负载驱动：输出电流需求（如驱动 50 Ω 负载需 。
2. 筛选关键参数
精度：选择低失调电压 、低温漂运放（如 AD8628）。
速度：增益带宽积（GBW）需满足GBW≥闭环增益×信号带宽 。
功耗：电池供电系统选低静态电流运放（如 LTC2067）。
3. 验证稳定性
相位裕度：通过波特图分析闭环稳定性（需仿真工具如 LTspice）。
补偿设计：必要时添加反馈电容（如 Miller 补偿）。
4. 封装与成本
封装：贴片（SOT-23、SOIC）还是直插（DIP）
成本：通用运放（LM358） vs 精密运放（ADA4528）。
七、经典运放型号推荐
型号特点适用场景LM358双电源、低成本通用放大、比较器 NE5532低噪声、高输出驱动音频前置放大OP07超低失调电压（10 μV）精密仪器、电桥放大AD8605轨到轨、低噪声（5.5 nV/√Hz）传感器接口、ADC驱动TLV9102低功耗（25 μA/通道）电池供电设备AD811高速（GBW=140 MHz）视频信号处理
八、实际设计注意事项
1. 电源去耦：
在电源引脚附近添加 0.1 μF 陶瓷电容 + 10 μF 电解电容，降低噪声。
2. PCB布局：
输入信号远离输出和电源线，避免串扰。
对称布局差分信号线，减少共模噪声。
3. 热管理：
大电流输出时，运放可能发热，需预留散热孔或使用散热片。