運算放大器（Operational Amplifier）是集成電路家族里用途最廣的芯片種類之一，也是各大模擬半導體廠商的必有產品。簡單來說，運算放大器就是一個低頻及中頻電子信號放大器。其基本結構為具有兩個（同相、反相）高阻輸入端和一個低阻輸出端。其放大功能體現為輸出電壓值為兩個輸入端口電壓的差值乘以運放增益（10K-1M）。假設運放增益為10K，同相與反相端電壓差值為5mV，其輸出電壓值則為50V（事實上輸出電壓受到運放供電電源的限制，不可能超出電源范圍）。那么為何又稱之為運算放大器？因為在過去模擬計算機時代，就是由這種放大器實現了基本的加法、積分等數學運算功能，所以又稱之為運算放大器。

運算放大器的電路符號如圖1，VOUT=增益*（VIN+- VIN-）

圖1：運算放大器的電路符號

運算放大器最基本的功能是放大電子信號，例如一般話筒的輸出電壓通常在微伏級，這樣的信號用來驅動揚聲器顯然是不夠的，這就需要一個電路對信號進行放大。可如果用運放去直接放大，所得到的放大結果也不一定就是我們想要的數值。

假設待放大的信號為500mV，我們需要的信號為5V，也就是說需要增益為10，用運放搭一個如圖2所示的簡單電路就可以實現。

圖2

輸入的小信號為VIN，放大的輸出信號為VOUT，增益為G=1+R1/R2，當R1/R2=9的時候。增益就為10。

其推導過程也十分簡單。設運放增益為A，因為運放的輸入端口為高阻態，我們可理解為開路，

得出：VOUT=A *｛VIN-R２/(R２＋R1) *VOUT}

再得：VOUT/VIN=A-AR２/(R２＋R1)*VOUT/VIN

得出：VOUT/VIN=1/｛1/A＋R２/(R２＋R1)｝

由于A很大，1/A可以忽略，故得出：VOUT/VIN=1＋R1/R2

當然這個運算放大器的輸出能力也是有上限的，其輸出電壓受到其供電電源的大小限制。假設運放使用+12V和-12V電源，那么輸出的電壓范圍大致在-11V到+11V之間。

本文到目前為止都沒有談到信號的頻率，上文所有內容都可以理解為在放大一個直流信號。事實上，現實應用中幾乎都是放大交流信號，交流信號就必然有頻率。處理交流信號，我們必須要了解運算放大器的一個重要特性，那就是運算放大器的增益是跟信號頻率成反比的，也就是說頻率增大N倍，增益就要減小N倍，所謂10K到1M的增益近乎只能在直流信號下保持為一個常數。以麥克風信號為例，人的聲音頻率為20-20KHz，上限頻率（保持運放增益為常數的頻率）為5Hz運放，則直流增益從1M下降為100，即下降了10000倍，相應的其上限頻率就上升了10000倍，為50KHz，這樣把增益控制在100以下，就可以放大50KHz以下的信號。以上特性就體現了運算放大器中的一個重要參數：增益帶寬積GBW，就是中頻增益放大器的帶寬。

運放組成的電路可以說是五花八門，除了放大電路以外，還可以實現比較器、施密特觸發器、ADC/DAC、有源濾波電路等。多個運放組合構成的電路，最經典的可能就是儀表放大器，生活中常見的電子血壓計就包含這個電路。

電子血壓計中氣壓傳感器獲取的脈搏波信號通常是毫伏，甚至微伏級別的模擬信號，這樣的信號送給ADC肯定是不行的，必須經過小信號放大處理，一般采用儀表放大器電路（如圖3，其實質為3個運放構成），這種電路在儀表應用中非常普遍，具有很高的共模抑制比。差分放大結構也可以完美匹配橋式測量電路。

圖3：儀表放大器

以上我們只是看到了運放的基本功能以及典型應用，在實際產品的運放相關電路設計中，需要考慮的參數非常多，是模擬電路設計的難點之一。

如何為自己的設計選擇一個合適的運放呢？首先，我們來看一下關于運算放大器的產品頁面：

圖4

簡單在貿澤官網搜查放大器就會得出超過8500個料號，來自20多個供應商，包括多個知名原廠。

如圖5所示，其目錄式過濾器，羅列了運放的安裝方式、通道數量、工作電壓、輸出能力、增益帶寬積、共模抑制比、輸入電壓噪聲密度等20余個參數。這個過濾器極大的簡化了電子工程師的運算放大器選型工作。

圖5

我們以尋找一個3通道（集成有三個運放單元的芯片）的運放IC為例，只需要在上面的過濾器中選擇通道數為“3 Channel”，然后點擊“應用過濾器”。

圖6

就會出現如圖7所示的3通道運放器。這里我們順便看下“SR-轉換速率”參數，這是一個非常容易被忽視的重要參數，SR就是壓擺率，定義為當輸入信號為階躍信號時，運放輸出電壓單位時間內的轉換速率，代表運放的輸出響應性能。如果SR過低，將會導致輸出帶寬下降，信號失真。

圖7 產品介紹

01

TLV910x通用運算放大器

Texas Instruments的TLV910x通用運算放大器具有出色的直流精度和交流性能，包括軌到軌輸入/輸出、低失調（±300μV，典型值）、低失調漂移（±0.5μV/°C，典型值）和1.1MHz帶寬。TLV910x一款功能強大、低功耗、高性能運算放大器，適用于工業應用。

02

LTC6229 730MHz低失真運算放大器

Analog Devices Inc.的LTC6229 730MHz低失真運算放大器是雙通道、非常快速、低噪聲、軌到軌輸出、單位增益穩定型運算放大器。LTC6229運算放大器具有890MHz的增益帶寬積和500V/μs的高轉換率。典型應用包括光學電子器件中的快速跨阻抗放大器、有源濾波器、視頻放大器、高動態范圍模數轉換器和低電壓高保真放大器。

03

MAX40018雙通道毫微功耗運算放大器

Maxim Integrated的MAX40018雙通道毫微功耗運算放大器每通道僅消耗400nA電源電流，非常適合用于便攜式電池供電應用。MAX40018在1.7V至5.5V單電源電壓下工作，并由為微控制器供電的同一1.8V、2.5V或3.3V標稱電源供電。MAX40018具有軌到軌輸出，單位增益穩定，具有9kHz增益帶寬積 (GBP)。

運算放大器的參數與應用，復雜多樣，千差萬別，本文只是作了最淺顯的基本介紹。針對具體的設計需求，選擇一個完美的運放料號，還需要設計者去查閱大量的數據手冊，尤其是其中各種參數曲線圖。