運算放大器

1、運放簡介

運算放大器(Operation Amplifier)，簡稱OP或OPA，是一種可以進行數學運算的放大電路，其不僅可以對輸入信號進行放大，而且還可以進行加減乘除及微分和積分等運算。

2、虛短和虛斷

2.1 虛短

運放的電壓放大倍數很大，一般通用型運放開環放大倍數在10000倍以上，其輸入電壓可以很小，當輸入電壓小到一定程度，即V+和V-近似相等時，與短路類似，開環電壓放大倍數越大，兩輸入端的電壓越接近相等，因此稱為虛短。

2.2 虛斷

通常情況下運放的輸入電阻很大，通用型運放的輸入電阻都在1MΩ以上，由于其電阻過大，輸入端電流會小到uA級別，此時意味著兩個輸入端沒有電流流入，與斷路類似，運放的輸入電阻越大，同向和反向輸入兩端越接近開路，因此稱為虛斷。

3、理想運算放大器

如下圖所示為一個理想運算放大器。

理想運放的輸入電流為0，增益為無窮大，即放大倍數為無窮大，V+ = V- = 0，輸出阻抗也為0，意味著其負載能力很強，但是理想運放現實中并不存在。

4、反相放大器

根據虛短，可得到：V+ = V- = 0 (1)

根據虛斷，可得到：I1 = I2 = 0 (2)

I1 = ( Vin- V-) / R1 (3)

I2 = (V- - Vout) / R2 (4)

聯立公式(1)(2)(3)(4)可求得 Vout / Vin = - (R2 / R1)，即Vout = -Vin (R2 / R1)

假設：R2 = 10K，R1 = 1K，Vin = - 0.5V，即Vout = 5V，即將Vin信號放大了10倍。注意Vin要給一個反相電壓，硬件連接時將電源的正端接到GND，電源負端接到Vin。

輸入信號波形：

輸出信號波形：

由上面兩個圖可看出，信號經過反相放大器后，信號相位相反，幅值增大。

5、同相放大器

根據虛短，可得出：V+ = V- = 0 (1)

根據虛斷，可得出：I = Vout / (R1 + R2) (2)

V- = I * R1 (3)

聯立(1)(2)(3)式可得出：Vout / Vin = 1 + R1 / R2 ，即Vout = Vin * (1 + R1 / R2) (4)

根據式(4)可得出，當R2趨近于無窮大時，R1 / R2趨近于0，此時，Vout / Vin = 1，此時電路將變為一個單位增益緩沖器，電路如下：

單位增益緩沖器可提高電路的驅動能力，也具有一定的緩沖作用。