一、運(yùn)算放大器概述

運(yùn)算放大器（Operational Amplifier，簡(jiǎn)稱OP、OPA、OPAMP、運(yùn)放）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元，是模擬電子電路的基本組成部分之一。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，如加、減、微分、積分等，故得名“運(yùn)算放大器”。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在，并廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)中。

運(yùn)算放大器內(nèi)部包含多級(jí)放大電路，其輸入級(jí)通常采用差分放大電路，具有高輸入電阻和抑制零點(diǎn)漂移能力；中間級(jí)主要進(jìn)行電壓放大，具有高電壓放大倍數(shù)，一般由共射極放大電路構(gòu)成；輸出級(jí)與負(fù)載相連，具有帶載能力強(qiáng)、低輸出電阻的特點(diǎn)。此外，運(yùn)算放大器還具有高增益、低漂移、深度負(fù)反饋等特性，這些特性使得運(yùn)算放大器在信號(hào)調(diào)理、濾波、信號(hào)比較、模擬計(jì)算等多種電子電路系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

二、運(yùn)算放大器的工作原理

1. 基本結(jié)構(gòu)

運(yùn)算放大器的基本結(jié)構(gòu)包括一個(gè)正輸入端（OP_P）、一個(gè)負(fù)輸入端（OP_N）和一個(gè)輸出端（OP_O）。在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)算放大器通常與外部反饋網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，形成特定的功能模塊。

2. 高增益特性

運(yùn)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。這種高增益特性使得運(yùn)算放大器能夠?qū)ξ⑷醯妮斎胄盘?hào)進(jìn)行放大，從而滿足各種應(yīng)用需求。

3. 差分輸入與虛短特性

運(yùn)算放大器具有兩個(gè)輸入端：同相輸入端（+）和反相輸入端（-）。這兩個(gè)輸入端對(duì)輸入信號(hào)的微小變化非常敏感，且希望兩個(gè)輸入端的電壓差盡可能為零，即所謂的“虛短”（virtual short）。在沒有外部反饋的情況下，運(yùn)算放大器會(huì)試圖使其兩個(gè)輸入端的電壓相等。

4. 深度負(fù)反饋

通過外部電路連接可以引入負(fù)反饋，使運(yùn)放的實(shí)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(shí)，負(fù)反饋還可以根據(jù)需要配置成各種功能電路，如放大、加法、減法、積分、微分等運(yùn)算電路。在深度負(fù)反饋條件下，運(yùn)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。

5. 工作模式

運(yùn)算放大器的工作模式主要包括反相放大模式和非反相放大模式。

• 反相放大模式 ：在這種模式下，運(yùn)放的輸出信號(hào)與反相輸入端信號(hào)相反，并按一定的比例放大。反相放大器電路具有放大輸入信號(hào)和反相輸出的功能。其工作原理是通過負(fù)反饋技術(shù)，將輸出信號(hào)的一部分返回到反相輸入端，從而保持輸入端的電壓差不變。此時(shí)，增益由反饋電阻和輸入電阻的比值決定。
• 非反相放大模式 ：在這種模式下，運(yùn)放的輸出信號(hào)與同相輸入端信號(hào)相同，并按一定的比例放大。非反相放大器電路與反相放大電路的主要區(qū)別在于輸入信號(hào)加在同相輸入端上。同樣地，非反相放大器也采用負(fù)反饋技術(shù)來保持輸入端的電壓差為零，并通過調(diào)整反饋電阻和輸入電阻的比值來改變?cè)鲆妗?/li>

6. 理想特性

一個(gè)理想的運(yùn)算放大器應(yīng)具備以下特性：

• 無限大的輸入阻抗：使得輸入端對(duì)前級(jí)電路的影響幾乎為零。
• 等于零的輸出阻抗：使得輸出端能夠驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載而不影響輸出電壓。
• 無限大的開回路增益：即在沒有反饋的情況下，輸出電壓與輸入電壓之間的比值無限大。
• 無限大的共模排斥比：即運(yùn)算放大器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力非常強(qiáng)。
• 無限大的頻寬：即運(yùn)算放大器能夠處理各種頻率的信號(hào)而不失真。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)算放大器的這些特性都是有限的，但通過合理的設(shè)計(jì)和選擇，可以使其接近理想狀態(tài)以滿足應(yīng)用需求。

三、運(yùn)算放大器的實(shí)際應(yīng)用案例

1. 儀表放大器

儀表放大器是一種特殊的運(yùn)算放大器電路，它專門用于放大微弱的差分信號(hào)。儀表放大器具有高共模抑制比和低噪聲特性，非常適合于測(cè)量和傳感應(yīng)用。它通過內(nèi)部集成的差分輸入級(jí)和共模抑制電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)共模信號(hào)的抑制和對(duì)差分信號(hào)的放大。

2. 有源濾波器

有源濾波器是利用運(yùn)算放大器和其他電子元件構(gòu)建的濾波器電路。與無源濾波器相比，有源濾波器具有更高的增益和更好的頻率響應(yīng)特性。通過配置不同的反饋網(wǎng)絡(luò)和元件參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻等多種濾波功能。

3. 精密整流器

精密整流器是一種利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的電路，它能夠?qū)⒔涣餍盘?hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)并保持較高的精度。精密整流器通常包括一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)二極管或二極管橋式整流電路。通過運(yùn)算放大器的負(fù)反饋?zhàn)饔茫梢韵O管正向壓降對(duì)整流精度的影響。

4. 模擬乘法器

模擬乘法器是一種利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的電路，它能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)模擬信號(hào)的乘法運(yùn)算。模擬乘法器在信號(hào)處理、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。通過配置特定的反饋網(wǎng)絡(luò)和元件參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算并滿足特定的性能要求。

四、運(yùn)算放大器的重要應(yīng)用

1、運(yùn)算放大器作為積分器的應(yīng)用

運(yùn)算放大器也用作積分器。積分運(yùn)算放大器產(chǎn)生與輸入信號(hào)的幅度以及輸入信號(hào)的持續(xù)時(shí)間成比例的輸出。我們?cè)诜答伃h(huán)路中沒有使用電阻器，而是使用了電容器。當(dāng)輸出隨信號(hào)的輸入和持續(xù)時(shí)間變化時(shí)，它能夠執(zhí)行積分的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

2、運(yùn)算放大器作為電壓電流轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

具有負(fù)反饋的運(yùn)算放大器用于電壓到電流的轉(zhuǎn)換。在電路中，電壓施加到同相端，輸出反饋到反相端。電阻器用于將電路接地。

3、運(yùn)算放大器作為電流電壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

運(yùn)算放大器可用作電流電壓轉(zhuǎn)換器，使用非常簡(jiǎn)單的電路，如上所示。我們所需要的只是一個(gè)連接到運(yùn)算放大器輸出的反饋電阻。電流源饋入反相端，非反相端接地。這里，輸出電壓與輸入電流成正比。由于理想的運(yùn)算放大器具有無窮大的電阻，因此電流不能流過運(yùn)算放大器。電流流經(jīng)反饋電阻，其兩端的電壓取決于電流源。

4、運(yùn)算放大器作為對(duì)數(shù)放大器的應(yīng)用

使用運(yùn)算放大器的對(duì)數(shù)放大器是通過在反饋環(huán)路中使用二極管而不是電阻來制成的。非反相端接地，輸入電壓饋送到反相端。輸出電壓與輸入電壓的對(duì)數(shù)成正比，因此可以用作對(duì)數(shù)放大器。

5、運(yùn)算放大器作為電壓比較器的應(yīng)用

這也許是最容易理解的。兩個(gè)電壓源施加到運(yùn)算放大器的兩個(gè)端子。將參考電壓施加到反相端，將待測(cè)電壓施加到非反相端。如果施加的電壓大于參考電壓，我們將得到正輸出，否則我們將得到負(fù)輸出。