什么是運算放大器

運算放大器（簡稱“運放”）是一種放大倍數(shù)非常高的電路單元。在實際電路中，它常常與反饋網(wǎng)絡(luò)一起組成一定的功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路和反饋的放大器。輸出信號可以是輸入信號的加法、減法、微分和積分等數(shù)學(xué)運算的結(jié)果。由于早期用于模擬計算機中實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算，故被命名為“運算放大器”。運算放大器是從功能角度命名的電路單元，可以用分立器件實現(xiàn)，也可以在半導(dǎo)體芯片中實現(xiàn)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)運算放大器以單芯片的形式存在。運算放大器的種類很多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)。#運算放大器的電路符號#如圖1所示。它包括兩個輸入引腳，同相輸入端Vin（+）和反相輸入端Vin（-），以及輸出引腳Vout。

運算放大器電路符號

運算放大器的特點

(1)集成運算放大器采用直接耦合放大電路，既可以放大直流信號，也可以放大交流信號。

(2)為了克服零漂移現(xiàn)象，提高共模抑制比，輸入端采用差分放大電路和恒流源供電。

(3)采用復(fù)合管來增加電路的增益。

(4)電路中的無源器件大部分被有源器件取代。

(5) 總結(jié)三個最重要的特性是 1. 高輸入阻抗； 2、電壓增益高； 3.輸出阻抗低。

（本文素材來源：https://www.icdhs.com/news/585）

運算放大器作用及工作原理

運算放大器是一種具有極高增益和線性度的直流耦合放大器，它的基本作用是對輸入信號進行放大，并且在理想情況下，它具有以下特性：

1. 高增益：運算放大器能夠提供非常高的電壓增益，即輸出與輸入之間的電壓比值很大，通常是幾千到幾十萬。

2. 差分輸入：有兩個輸入端，一個同相輸入端（+）和一個反相輸入端（-），它們對輸入信號的微小變化非常敏感，且希望兩個輸入端的電壓差盡可能為零，即所謂的“虛短”（virtual short）。

3. 低漂移：內(nèi)部電路設(shè)計使得溫度變化或時間推移引起的偏移電壓非常小，從而保證了長時間和不同環(huán)境下的穩(wěn)定性。

4. 深度負反饋：通過外部電路連接可以引入負反饋，使運放的實際工作狀態(tài)接近理想的線性區(qū)，提高精度和穩(wěn)定性，同時可以根據(jù)需要配置成各種功能，如放大、加法、減法、積分、微分等運算電路。

工作原理：

• 在沒有外部反饋的情況下，運算放大器試圖使其兩個輸入端的電壓相等。當(dāng)連接負反饋后，運放會調(diào)整其輸出，以便保持輸入端的電壓差不變。通過不同的反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，運放能實現(xiàn)不同的功能。

• 當(dāng)輸入信號施加到運放的輸入端時，運放根據(jù)其內(nèi)部的高增益放大這個微小的電壓差，并將放大后的信號輸出。在深度負反饋條件下，運放的行為往往取決于反饋網(wǎng)絡(luò)，而不是其本身的開環(huán)增益。

• 例如，在反相放大配置中，運放的輸出會與反相輸入端信號相反，并按一定的比例放大；而在非反相放大配置中，輸出則與同相輸入端信號相同，同樣按比例放大。

運算放大器的核心作用在于通過靈活運用負反饋技術(shù)來精確地處理電信號，廣泛用于信號調(diào)理、濾波、信號比較、模擬計算等多種電子電路系統(tǒng)中。

運算放大器基本電路

(1)反相放大電路

如圖2所示，反相放大器電路具有放大輸入信號和反相輸出的功能。 “倒”是指正負號顛倒了。該放大器采用負反饋技術(shù)。所謂負反饋，就是將輸出信號的一部分返回到輸入端。圖2所示電路中，輸出Vout經(jīng)Rf連接（返回）至反相輸入端（-）的連接方式為負反饋。運算放大器具有以下特點。當(dāng)輸出端不加電源電壓時，同相輸入端（+）和反相輸入端（-）被認為施加了相同的電壓，也就是說，可以將其視為一個虛擬短路。因此，當(dāng)正輸入端（+）為0V時，A點電壓也為0V。根據(jù)歐姆定律，可得出流過Rin的電流：Iin=Vin/Rin。

反相放大電路

另外，運算放大器的輸入阻抗極高，反相輸入端（-）基本沒有電流。因此，當(dāng)Iin經(jīng)A點流向Rf時，Iin和If的電流基本相等。根據(jù)上述條件，對Rf運用歐姆定律，可得Vout=-Iin×Rf。 I1 為負，因為 If 從電壓為 0V 的 A 點流出。從另一個角度來看，當(dāng)反相輸入端（-）的輸入電壓升高時，輸出會在負方向上發(fā)生很大的反相放大。由于負方向的輸出電壓通過Rf連接至反相輸入端，因此反相輸入端(-)的電壓上升將被阻擋。反相輸入端和同相輸入端電壓均變?yōu)?V，輸出電壓穩(wěn)定。

然后我們利用該放大器電路中的輸入和輸出之間的關(guān)系來計算增益。增益為Vout與Vin的比值，即Vout/Vin=(-Iin×Rf)/(Iin×Rin)=-Rf/Rin。?

要特別注意這個公式，增益僅由Rin和Rf的電阻比決定。換句話說，我們可以通過改變電阻來輕松改變增益。將負反饋應(yīng)用于高增益的運算放大器，通過調(diào)整電阻值，可以獲得所需的增益電路。

(2)同相放大電路

與反相放大器電路相反，圖3所示的電路稱為非反相放大器電路。與反相放大電路最大的區(qū)別在于，在同相放大電路中，輸入波形和輸出波形的相位相同，輸入信號加在同相輸入端（+）上。與反相放大器電路一樣，這兩個電路都使用負反饋。

我們來看看這個電路的工作過程。首先，通過虛擬短路，正極輸入端（+）和負極輸入端（-）的電壓均為Vin，即A點電壓為Vin。根據(jù)歐姆定律，Vin=Rin×Iin。另外，運算放大器的兩個輸入端基本沒有電流，所以Iin=If。 Vout為Rin和Rf電壓之和，即Vout=Rf×If+Rin×Iin。將上式整理即可得到增益G，即G=Vout/Vin=(1+Rf/Rin)。

同相放大器電路

選擇合適運算放大器的注意事項

1.工作電壓范圍

選擇能夠滿足您所需工作電壓范圍的運算放大器。該信息可以通過查看放大器的電源電壓來獲得。電源電壓可以是VDD(+)和地(單電源)，或者放大器可以同時支持正電源和負電源。如果輸出需要支持負電壓，則需要負電源。

2.英鎊

考慮放大器的英鎊。如果您的應(yīng)用需要支持更高的頻率或需要更高的性能和更低的失真，請考慮使用更高 GBP 的運算放大器。

3、功耗

功耗是另一個需要考慮的因素，因為某些應(yīng)用可能需要低功耗運行。推薦的功率要求通?？梢栽谠O(shè)備的數(shù)據(jù)表中找到，通常列為電源電流和功耗。功耗也可以根據(jù)電源電流和電源電壓的乘積來估算。一般來說，供電電流越低的運算放大器，GBP就越低，當(dāng)然電路性能也就越差。對于精度要求較高的應(yīng)用，設(shè)計人員應(yīng)特別注意放大器的輸入失調(diào)電壓，因為該電壓會導(dǎo)致放大器的輸出電壓發(fā)生偏移。