一、運算放大器的簡介

工程師目前可以使用數千種不同的運算放大器 IC。使用術語“運算放大器”來識別所有這些設備有點誤導，因為實際上它們形成了一組不同的組件。另一方面，運算放大器始終表現出各種基本特性，因此它們代表了一個相當統一的組件類別。

我們為什么要使用運算放大器?

在我們開始探索運算放大器的定義電氣特性之前，我們需要了解為什么這些組件如此受歡迎和有效。

幾十年來，運算放大器已經大量生產，因此工程師可以使用大量多樣化的部件，這些部件既可以提供低成本又具有高性能。

運算放大器用途極其廣泛。很難想到一個模擬電路既不能使用運算放大器來實現，也不能通過添加運算放大器來改進。

圍繞運算放大器設計電路比使用分立晶體管容易得多。運算放大器的電氣特性導致假設簡化，并且在許多應用中，這些假設不會導致理論電路與實際電路之間存在顯著差異。

運算放大器電路符號

簡化的、理想化的運算放大器是一個三端器件。

左邊的兩個端子是輸入，右邊的端子是輸出。注意輸入端有不同的標簽：加號表示同相輸入端，減號表示反相輸入端。

真正的運算放大器至少需要五個端子——兩個輸入、一個輸出和兩個電源連接：

雙電源運算放大器電路(左側)使用正電源電壓和負電源電壓。在單電源配置(右側)中，負電源端子接地。

在繪制運算放大器時，我們通常會省略電源端子，因為我們假設該器件已連接到電源電壓，從而能夠在給定應用的上下文中正常運行。然而，重要的是要記住運算放大器的輸出電壓范圍受其電源電壓的限制。

運算放大器電氣模型

典型運算放大器的理想輸入輸出關系如下圖所示：

盡管實際運算放大器中存在復雜的電路，但我們可以通過假設運算放大器是壓控電壓源(VCVS)來成功執行許多基于運算放大器的設計任務。控制電壓為\[(V_{IN+} - V_{IN-})\]，控制電壓與VCVS產生的電壓的比例因子為運放的增益，用A表示：(伏一世N+-伏一世N-)(伏一世N+-伏一世N-)，控制電壓與 VCVS 產生的電壓之間的比例因子是運算放大器的增益，用 A 表示：

運算放大器具有非常高的增益，通常高于 \[10^5\] 甚至 \[10^6\] 。正如我們將在未來的視頻中看到的那樣，這種高(理想情況下為無限)增益非常重要——不是因為我們經常需要將信號的幅度增加五到六個數量級，而是因為放大器將高增益與差分輸入級提供了一種方便的方式來利用與負反饋相關的有益特性。105105 甚至 106106 . 正如我們將在未來的視頻中看到的那樣，這種高(理想情況下為無限)增益非常重要——不是因為我們經常需要將信號的幅度增加五到六個數量級，而是因為放大器將高增益與差分輸入級提供了一種方便的方法來利用與

讓我們看看上面顯示的 VCVS 模型所隱含的一些其他特征。

· 運算放大器是一種差分放大器：它放大兩個輸入電壓之間的差異。

· 根據前面的說法，運算放大器表現出共模抑制。運算放大器將拒絕(即忽略)兩個輸入信號中存在的任何電壓分量，例如噪聲或直流偏移。

· 運算放大器具有差分輸入級和單端輸出;因此，它可以被認為是一個差分到單端轉換器。然而，事實證明，現實生活中的運算放大器應用與單端輸入信號的關聯更為密切。事實上，專為差分輸入信號設計的設備還有另一個名稱：儀表放大器。

二、運算放大器的特性

運算放大器(op-amp)如此有名的原因之一是因為它的多功能性。在本文中，您將看到使用運算放大器幾乎可以完成任何事情。還值得注意的是，該集成電路具有許多接近被認為是理想的特性的特性。

該集成電路具有許多接近被認為是理想的特性的特性。

理想的運算放大器

由于運算放大器具有接近理想的特性，因此使用 IC 運算放大器設計和構建電路相當容易。同樣重要的是運算放大器電路組件可以在已預測的理論水平上運行。本文將介紹分析包含運算放大器的電路、如何使用這些運算放大器來設計放大器以及運算放大器的重要非理想特性。

支持信息

運算放大器的實際考慮

基本放大器配置

運算放大器具有三個端子：兩個輸入端子和一個輸出端子。下圖，圖 1.1 說明了用于本文中討論的運算放大器的符號。運算放大器左側的兩個端子 1 和 2 是兩個輸入端子，右側的端子 3 是輸出端子。為了操作放大器，它需要連接到直流電源。一般來說，大多數集成電路運算放大器不需要一個，而是兩個直流電源，如圖 1.2 所示。這兩個端子 4 和 5 連接到正電壓源 V cc 和負電壓源 V ee， 分別。圖 1.2 (b) 顯示了作為電池的直流電源，具有公共接地源。兩個直流電源連接的地源實際上只是兩個電源的公共端。有趣的是，這是因為運算放大器封裝上的一個端子沒有物理連接到地。在本文中，為簡單起見，不會對運算放大器電源進行說明。

圖 1.1 運放符號

圖 1.2 運算放大器與直流電源的連接

除了目前討論的五個端子之外，運算放大器可能還有其他用于特定目的的端子。這些目的可能是用于頻率補償和負反饋或偏移歸零，從而減少可以放大的小直流偏移。

介紹理想運算放大器的特性

查看運算放大器內部電路的實際功能，我們看到它旨在確定直接施加到兩個輸入端子的電壓信號之間的差異(v 2 - v 1的差異)。一旦找到這個量，然后將其乘以數字 A，反過來，電壓產生項 A (v 2 -v 1 )。從現在開始，當在端子處提到電壓時，它意味著該單個端子與地之間的電壓;因此 v 1 是施加在端子 1 和地之間的電壓。

理想的運算放大器不應為輸入吸收任何電流;這意味著，流入端子 1 的電流和流入端子 2 的信號均為零。這就是說理想運算放大器的輸入阻抗應該是無窮大。

現在關注輸出端子，它應該像理想電壓源的端子一樣工作。簡而言之，端子 3 和接地之間的電壓將始終等于 A (v 2 - v 1 )，并且與可能會或可能不會從第三端子引入負載阻抗的電流無關。

綜上所述，可以說明圖 1.3 中所示運算放大器的模型。查看模型，可以看到輸出端子的符號與 v 2相同， 但與 v 1 的符號相反。考慮到這一點，輸入端稱為反相輸入端，用“-”號表示，而輸入端2稱為同相輸入端，用“+”號表示。

如前所述，運算放大器旨在檢測 電壓信號之間的 差異，并將忽略兩個輸入共有的任何給定信號。這意味著，如果 v 1 = v 2 = 1 V，那么輸出將相應地(理想的)為零。這種現象也稱為共模抑制。這也可以表示為零共模增益，或類似地，無限共模抑制。現在，我們可以說運算放大器是一個差分輸入、單端輸出放大器，后者表示該運算放大器的輸出位于接地和端子 3 之間。

圖1.3 理想運放電路模型

術語 A 是所謂的微分增益。這是眾所周知的，因為當各種信號應用于兩個輸入 1 和 2 時，它是運算放大器的所需增益。我們可以與該術語相關聯的另一個名稱是開環增益。當 IC 運算放大器中沒有使用反饋時，可以獲得該增益。通常，開環增益往往具有極高的值;理想的運算放大器實際上具有無限的開環增益。

運算放大器的一個值得注意的特性是直流放大器或直接耦合，它代表直流或直流，因為它放大頻率接近于零的信號。考慮到運算放大器是直接耦合 IC，它們的用途要廣泛得多，這使我們可以在許多更重要的應用中使用它們。但是，直接耦合會導致一些嚴重的問題，稍后將討論這些問題。

移至帶寬，理想的運算放大器具有增益 A 這將保持恒定到零頻率，一直到無限頻率。換句話說，理想的放大器可以以相同的增益放大任何頻率的信號，從而使它們具有無限的帶寬。到目前為止，已經討論了理想運算放大器的所有特性和屬性，除了一個：理想運算放大器的增益 A 應該具有一個大且無限的值，理想情況下。然而，這帶來了一個很好的問題：如果有一個無窮大的增益，運放如何用于任何應用?這可以很簡單地回答，因為運算放大器不會在幾乎所有可以想到的應用中單獨用于開環配置。在下面的文章中，我將討論其他組件將如何通過應用反饋來完成或關閉運算放大器的循環。

總結

到目前為止，我們已經討論了運算放大器如何因其多功能性而如此受歡迎，以及理想運算放大器的特性和功能。總而言之，理想運算放大器的特性如下：

運算放大器內部的理想增益帶來無限帶寬

無限開環增益A

無限或零共模增益

無窮大的輸入阻抗

輸出阻抗為零