一、运算放大器的简介

工程师目前可以使用数千种不同的运算放大器 IC。使用术语“运算放大器”来识别所有这些设备有点误导，因为实际上它们形成了一组不同的组件。另一方面，运算放大器始终表现出各种基本特性，因此它们代表了一个相当统一的组件类别。

我们为什么要使用运算放大器?

在我们开始探索运算放大器的定义电气特性之前，我们需要了解为什么这些组件如此受欢迎和有效。

几十年来，运算放大器已经大量生产，因此工程师可以使用大量多样化的部件，这些部件既可以提供低成本又具有高性能。

运算放大器用途极其广泛。很难想到一个模拟电路既不能使用运算放大器来实现，也不能通过添加运算放大器来改进。

围绕运算放大器设计电路比使用分立晶体管容易得多。运算放大器的电气特性导致假设简化，并且在许多应用中，这些假设不会导致理论电路与实际电路之间存在显着差异。

运算放大器电路符号

简化的、理想化的运算放大器是一个三端器件。

左边的两个端子是输入，右边的端子是输出。注意输入端有不同的标签：加号表示同相输入端，减号表示反相输入端。

真正的运算放大器至少需要五个端子——两个输入、一个输出和两个电源连接：

双电源运算放大器电路(左侧)使用正电源电压和负电源电压。在单电源配置(右侧)中，负电源端子接地。

在绘制运算放大器时，我们通常会省略电源端子，因为我们假设该器件已连接到电源电压，从而能够在给定应用的上下文中正常运行。然而，重要的是要记住运算放大器的输出电压范围受其电源电压的限制。

运算放大器电气模型

典型运算放大器的理想输入输出关系如下图所示：

尽管实际运算放大器中存在复杂的电路，但我们可以通过假设运算放大器是压控电压源(VCVS)来成功执行许多基于运算放大器的设计任务。控制电压为\[(V_{IN+} - V_{IN-})\]，控制电压与VCVS产生的电压的比例因子为运放的增益，用A表示：(伏一世N+-伏一世N-)(伏一世N+-伏一世N-)，控制电压与 VCVS 产生的电压之间的比例因子是运算放大器的增益，用 A 表示：

运算放大器具有非常高的增益，通常高于 \[10^5\] 甚至 \[10^6\] 。正如我们将在未来的视频中看到的那样，这种高(理想情况下为无限)增益非常重要——不是因为我们经常需要将信号的幅度增加五到六个数量级，而是因为放大器将高增益与差分输入级提供了一种方便的方式来利用与负反馈相关的有益特性。105105 甚至 106106 . 正如我们将在未来的视频中看到的那样，这种高(理想情况下为无限)增益非常重要——不是因为我们经常需要将信号的幅度增加五到六个数量级，而是因为放大器将高增益与差分输入级提供了一种方便的方法来利用与

让我们看看上面显示的 VCVS 模型所隐含的一些其他特征。

· 运算放大器是一种差分放大器：它放大两个输入电压之间的差异。

· 根据前面的说法，运算放大器表现出共模抑制。运算放大器将拒绝(即忽略)两个输入信号中存在的任何电压分量，例如噪声或直流偏移。

· 运算放大器具有差分输入级和单端输出;因此，它可以被认为是一个差分到单端转换器。然而，事实证明，现实生活中的运算放大器应用与单端输入信号的关联更为密切。事实上，专为差分输入信号设计的设备还有另一个名称：仪表放大器。

二、运算放大器的特性

运算放大器(op-amp)如此有名的原因之一是因为它的多功能性。在本文中，您将看到使用运算放大器几乎可以完成任何事情。还值得注意的是，该集成电路具有许多接近被认为是理想的特性的特性。

该集成电路具有许多接近被认为是理想的特性的特性。

理想的运算放大器

由于运算放大器具有接近理想的特性，因此使用 IC 运算放大器设计和构建电路相当容易。同样重要的是运算放大器电路组件可以在已预测的理论水平上运行。本文将介绍分析包含运算放大器的电路、如何使用这些运算放大器来设计放大器以及运算放大器的重要非理想特性。

支持信息

运算放大器的实际考虑

基本放大器配置

运算放大器具有三个端子：两个输入端子和一个输出端子。下图，图 1.1 说明了用于本文中讨论的运算放大器的符号。运算放大器左侧的两个端子 1 和 2 是两个输入端子，右侧的端子 3 是输出端子。为了操作放大器，它需要连接到直流电源。一般来说，大多数集成电路运算放大器不需要一个，而是两个直流电源，如图 1.2 所示。这两个端子 4 和 5 连接到正电压源 V cc 和负电压源 V ee， 分别。图 1.2 (b) 显示了作为电池的直流电源，具有公共接地源。两个直流电源连接的地源实际上只是两个电源的公共端。有趣的是，这是因为运算放大器封装上的一个端子没有物理连接到地。在本文中，为简单起见，不会对运算放大器电源进行说明。

图 1.1 运放符号

图 1.2 运算放大器与直流电源的连接

除了目前讨论的五个端子之外，运算放大器可能还有其他用于特定目的的端子。这些目的可能是用于频率补偿和负反馈或偏移归零，从而减少可以放大的小直流偏移。

介绍理想运算放大器的特性

查看运算放大器内部电路的实际功能，我们看到它旨在确定直接施加到两个输入端子的电压信号之间的差异(v 2 - v 1的差异)。一旦找到这个量，然后将其乘以数字 A，反过来，电压产生项 A (v 2 -v 1 )。从现在开始，当在端子处提到电压时，它意味着该单个端子与地之间的电压;因此 v 1 是施加在端子 1 和地之间的电压。

理想的运算放大器不应为输入吸收任何电流;这意味着，流入端子 1 的电流和流入端子 2 的信号均为零。这就是说理想运算放大器的输入阻抗应该是无穷大。

现在关注输出端子，它应该像理想电压源的端子一样工作。简而言之，端子 3 和接地之间的电压将始终等于 A (v 2 - v 1 )，并且与可能会或可能不会从第三端子引入负载阻抗的电流无关。

综上所述，可以说明图 1.3 中所示运算放大器的模型。查看模型，可以看到输出端子的符号与 v 2相同， 但与 v 1 的符号相反。考虑到这一点，输入端称为反相输入端，用“-”号表示，而输入端2称为同相输入端，用“+”号表示。

如前所述，运算放大器旨在检测 电压信号之间的 差异，并将忽略两个输入共有的任何给定信号。这意味着，如果 v 1 = v 2 = 1 V，那么输出将相应地(理想的)为零。这种现象也称为共模抑制。这也可以表示为零共模增益，或类似地，无限共模抑制。现在，我们可以说运算放大器是一个差分输入、单端输出放大器，后者表示该运算放大器的输出位于接地和端子 3 之间。

图1.3 理想运放电路模型

术语 A 是所谓的微分增益。这是众所周知的，因为当各种信号应用于两个输入 1 和 2 时，它是运算放大器的所需增益。我们可以与该术语相关联的另一个名称是开环增益。当 IC 运算放大器中没有使用反馈时，可以获得该增益。通常，开环增益往往具有极高的值;理想的运算放大器实际上具有无限的开环增益。

运算放大器的一个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，因为它放大频率接近于零的信号。考虑到运算放大器是直接耦合 IC，它们的用途要广泛得多，这使我们可以在许多更重要的应用中使用它们。但是，直接耦合会导致一些严重的问题，稍后将讨论这些问题。

移至带宽，理想的运算放大器具有增益 A 这将保持恒定到零频率，一直到无限频率。换句话说，理想的放大器可以以相同的增益放大任何频率的信号，从而使它们具有无限的带宽。到目前为止，已经讨论了理想运算放大器的所有特性和属性，除了一个：理想运算放大器的增益 A 应该具有一个大且无限的值，理想情况下。然而，这带来了一个很好的问题：如果有一个无穷大的增益，运放如何用于任何应用?这可以很简单地回答，因为运算放大器不会在几乎所有可以想到的应用中单独用于开环配置。在下面的文章中，我将讨论其他组件将如何通过应用反馈来完成或关闭运算放大器的循环。

总结

到目前为止，我们已经讨论了运算放大器如何因其多功能性而如此受欢迎，以及理想运算放大器的特性和功能。总而言之，理想运算放大器的特性如下：

运算放大器内部的理想增益带来无限带宽

无限开环增益A

无限或零共模增益

无穷大的输入阻抗

输出阻抗为零