什么是運(yùn)算放大器？經(jīng)典應(yīng)用電路講解

運(yùn)算放大器（Operational Amplifier）簡(jiǎn)稱運(yùn)放，是一種直流耦合，差模（差動(dòng)模式）輸入，通常為單端輸出的高增益電壓放大器。運(yùn)算放大器能產(chǎn)生一個(gè)比輸入端電勢(shì)差大數(shù)十萬(wàn)倍的輸出電勢(shì)（對(duì)地而言）。因?yàn)閯傞_始主要用于加法、減法等模擬運(yùn)算電路中，因而得名。

一

運(yùn)算放大器的工作原理

運(yùn)算放大器的差分輸入包括一個(gè)正相輸入電壓與反相輸入電壓，理想的運(yùn)算放大器只放大兩個(gè)電壓的差，這就是所謂的差模輸入電壓。運(yùn)算放大器的輸出電壓由下式給出：

Vout=（V+ - V-）*Ado

Ado——運(yùn)算放大器的開環(huán)差動(dòng)增益。

二

理想的運(yùn)算放大器

一個(gè)理想的運(yùn)算放大器通常應(yīng)具備下列特性：

①大的開環(huán)增益（Ado= +∞）：理想運(yùn)算放大器的一個(gè)重要性質(zhì)就是開環(huán)的狀態(tài)下，輸入端的差動(dòng)信號(hào)有無(wú)限大的電壓增益，這個(gè)特性使得運(yùn)算放大器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)十分適合加上負(fù)反饋組態(tài)。

②無(wú)限大的輸入阻抗（Zin/Rin = ∞）：理想的運(yùn)算放大器輸入端不容許任何電流流入，即上圖中的V+與V-兩端點(diǎn)的電流信號(hào)恒為零，亦即輸入阻抗無(wú)限大。

③零輸入失調(diào)電壓

④無(wú)限大的帶寬（BW= ∞）且零相移與無(wú)窮大的擺率：理想的運(yùn)算放大器對(duì)于任何頻率的輸入信號(hào)都將以一樣的差動(dòng)增益放大，不因?yàn)樾盘?hào)頻率的改變而改變。

⑤零輸出阻抗（Zout/Rout = ∞）：理想運(yùn)算放大器的輸出端是一個(gè)完美的電壓源，無(wú)論流至放大器負(fù)載的電流如何變化，放大器的輸出電壓恒為一定值，亦即輸出阻抗為零。

⑥零噪聲

⑦無(wú)限大的共模抑制比（CMRR = ∞）：理想運(yùn)算放大器只能對(duì)V+與V-兩端點(diǎn)電壓的差值有反應(yīng)，即只放大（V+ - V-）的部分。對(duì)于兩輸入信號(hào)的相同的部分（即共模信號(hào)）將完全忽略不計(jì)。

⑧無(wú)限大的電源電壓抑制比

所有這些理想化都不可能完全實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器模型中可以使用等效電阻和電容來(lái)模擬真正的運(yùn)算放大器的非無(wú)限或非零參數(shù)。設(shè)計(jì)者這樣就可以將這些影響考慮進(jìn)最終電路的整體性能中。一些參數(shù)對(duì)最終設(shè)計(jì)的影響可能可以忽略不計(jì)，但其他那些實(shí)際制約最終性能的參數(shù)必須計(jì)算。

三

常見(jiàn)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

（1）反相閉環(huán)放大器

上圖是一個(gè)反相閉環(huán)放大器的電路。假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因?yàn)槠溟_環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端為虛接地。又因?yàn)檩斎胱杩篃o(wú)限大，自Vin到V-之電流，等于V-到Vout之電流，則有：

（2）正相閉環(huán)放大器

上圖是一個(gè)正相閉環(huán)放大器的電路。負(fù)反饋通過(guò)分壓電阻Rf，Rg決定了閉環(huán)增益Acl=Vout/Vin。當(dāng)Vout剛好足以使反相端電壓等于Vin時(shí)將建立平衡。因此整個(gè)電路的電壓增益是1+Rf/ Rg。輸出電壓公式有：

（3）加法器

上圖是一種加法器電路。在理想運(yùn)算放大器條件下，因?yàn)檩斎胱杩篃o(wú)限大，則流過(guò)R1和R2的電流相等，同理流過(guò)R3和R4的電流也相等。則有：

（4）積分電路

上圖是一種積分器電路。在理想運(yùn)算放大器條件下，開環(huán)增益為無(wú)限大，反向輸入端的電壓與同向端相等，因?yàn)檩斎胱杩篃o(wú)限大，通過(guò)R1的電流與通過(guò)C1的電流相等。

輸出電壓與輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分成正比，這就是積分電路。

（5）微分電路

上圖是一種微分器電路。在理想運(yùn)算放大器條件下，開環(huán)增益為無(wú)限大，反向輸入端的電壓與同向端相等，因?yàn)檩斎胱杩篃o(wú)限大，通過(guò)R1的電流與通過(guò)C1的電流相等。

如果V1是一個(gè)突然加入的直流電壓，則輸出Vout對(duì)應(yīng)一個(gè)方向與V1相反的脈沖。