什么是運算放大器？

運算放大器（Operational Amplifier，簡稱“運放”）是一種具有極高放大倍數的電路單元，通常結合反饋網絡共同組成某種功能模塊。它的核心特性是，其輸出信號可以是輸入信號經過加、減、微分、積分等數學運算后的結果。由于早期主要被應用于模擬計算機中以實現數學運算，因此得名“運算放大器”。

運算放大器是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器，其電路結構包括兩個輸入端（反相輸入端和同相輸入端）和一個輸出端。當在反相輸入端和公共端之間施加電壓時，如果電壓的實際方向從反相輸入端高于公共端，那么輸出電壓的方向則自公共端指向輸出端，即兩者的方向正好相反。

運放可以由分立的器件實現，也可以實現在半導體芯片當中。隨著半導體技術的發展，大部分的運放是以單芯片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應用于電子行業當中，如作為電壓跟隨器使用，或用于直流電壓的驅動或增益等。

運算放大器的工作原理

下圖中的電路顯示了運算放大器 U1 的符號以及運算放大器內部的簡化原理圖。運算放大器具有正極和負極電源連接。這提供了來自電源的電力來操作該設備。

根據應用情況，可以使用單電源或分離電源。運放有三個信號端，一個正信號輸入端，一個負信號輸入端，以及運放信號輸出端。運算放大器由晶體管(Q1、Q2) 組成的差分輸入級、電平移位器級 Q3 和輸出級 (Q4、Q5) 組成。

當正電壓施加到 + 輸入（即 Q1 基極）和 – 輸入接地時，Q3 將被激活以更好地理解這一點）。這允許電流從 Q3 的發射極流向集電極端子。結果，R3 和 R4 上將產生正電壓。該電壓激活 Q4，輸出將呈現 +V 電壓電平。

另一方面，當正電壓施加到接地的 – 輸入和 + 輸入時。 Q3 將不會被激活，因此 Q4 將處于截止狀態，但 Q5 將導通，因為它是 PNP 晶體管，并且其基極的低邏輯會激活它們。現在，輸出引腳將呈現低狀態，Q5 提供通過其發射極到集電極端子的電流吸收路徑。

運算放大器電路結構

典型運算放大器的內部原理圖如下所示：

帶（-）號的端子稱為反相輸入端，帶（+）號的端子稱為同相輸入端。

V+和V-電源端子分別連接至直流電壓源的正端子和負端子。 V+和V?的公共端連接到參考點或地，否則兩倍的電源電壓可能會損壞運放。

運算放大器的參數規格

總諧波失真 (THD)： 運算放大器本身產生的噪聲。通常以dB表示。

失調電壓： 當施加在輸入引腳之間時，將導致直流輸出電壓為零的直流電壓。如果兩個輸入都接地，運算放大器的輸出電壓將不會為零。

轉換速率： 對于給定輸入，輸出發生變化所需的時間。指定為 V/mS。

等效輸入噪聲電壓： 運算放大器的噪聲性能。理想電壓源與代表內部生成噪聲的輸入引腳串聯。

共模抑制比： 運算放大器抑制同時出現在兩個輸入上的信號的能力。對于差分放大器應用尤其重要。

運算放大器的基本電路

1、運算放大器微分器電路

這是放大器的一種類型，這種放大器的連接可以在輸入和輸出之間進行，并且具有非常高的增益。運算放大器微分器電路可用于模擬計算機中執行求和、乘法、減法、積分和微分等數學運算。

運算放大器電路產生與時間導數輸入電壓成比例的輸出電壓。所以這個運算放大器電路被稱為微分器。

2、運算放大器積分電路

運算放大器積分器電路可以用運算放大器和反相輸入端和輸出端之間的電容器以及從反相i/p到電路的整個輸入端的電阻器來構建 。

運算放大器的應用之一是積分器；它可以通過改變電阻和電容的位置來形成。該電路可以產生與輸入電壓時間積分成正比的輸出電壓。因此該電路被稱為積分器電路。

3、運算放大器差分電路

差分電路是運算放大器中使用的最基本電路之一。下面顯示的是經過修改以使用運算放大器的差分放大器電路。這構成了基本運算放大器電路，并解釋了典型運算放大器 IC 的輸入特性。

上面畫出了電路的基本配置。提供兩個晶體管Q1和Q2，其中輸入被提供到兩個晶體管的基極。兩個晶體管發射極都連接到共發射極RE，使得兩個輸入信號受到其中一個或兩個輸入信號的影響。兩個電源電壓VCC和VEE連接到集電極Q1和發射極Q2。電路圖中沒有標明公共接地點。必須理解的是，正電壓源和負電壓源的相反點均接地。

當1(V1)點輸入增加時，晶體管Q1的發射極電流增加，從而導致發射極電阻RE頂部的電壓增加。因此，它降低了晶體管Q2的基極-發射極電壓VBE。因此，當 Q2 的 VBE 降低時，晶體管 Q2 中的電流減少。這會導致集電極電阻 RC 中的壓降和輸出電壓 VOUT 的增加，因為它是集電極電源電壓 VCC 與電壓降之間的差值。集電極電阻 RC (ICRC)。這使我們得出這樣的結論：當輸入電壓 V1 增加時，輸出電壓也會增加。這就是為什么 V1 被視為同相輸入。 Vout 與 V1 同相。

在另一時刻，當電壓V2增加時，Q2的集電極電流增加，并導致集電極電阻壓降，從而降低輸出電壓VOUT。這就是為什么 V2 被視為反相輸入。 VOUT 與 V2 異相 180 度。