運算放大器(通常稱為運算放大器)是用于設(shè)計電子電路的無處不在的構(gòu)建塊。今天，這些設(shè)備被制造成小型集成電路，但這個概念很久以前就開始使用真空管了。有一項 1946 年早期使用運算放大器概念的專利，盡管當(dāng)時并未使用該名稱。Raggazinni 經(jīng)常被認(rèn)為是在 1947 年創(chuàng)造了“運算放大器”一詞。

早在 20 世紀(jì)，我在參加模擬計算的大學(xué)實驗室課程時就遇到了運算放大器。模擬電路用于通過復(fù)雜的接線板連接求和放大器、微分器和積分器來模擬系統(tǒng)。模擬計算的使用正在逐漸消失，被數(shù)字計算機所取代，所以我不能說我從課程的計算部分中學(xué)到了很多。不過，我確實學(xué)到了很多關(guān)于運算放大器電路和控制系統(tǒng)的知識，這些在今天仍然很有價值。

理想運算放大器

為了理解運算放大器的基本功能，我們使用“理想運算放大器”的概念。理想的運算放大器是如圖 1所示的壓控電壓源，具有以下屬性：

1. 無限增益 (A v ) 和無限帶寬

2. 零輸出阻抗

3. 無限輸入阻抗(零輸入電流)

圖 1理想的運算放大器是具有無限輸入阻抗和零輸出阻抗的壓控電壓源。

通常包括一個重要的第四個屬性，但它僅在對運算放大器施加負反饋時才有效：

1. 兩個輸入之間的零伏

如果您想知道這個運算放大器是如何獲得電源的，那么該器件有兩個電源連接(正極和負極)，在討論電路設(shè)計時經(jīng)常被忽略(但在連接實際電路時絕對必不可少)。通常，提供雙極電源，+/-15V，支持健康的信號擺動。

運算放大器很酷的一點是，對于許多非關(guān)鍵應(yīng)用而言，運算放大器的性能(增益、帶寬、阻抗等)與電路要求相比非常好，以至于它們確實像理想的運算放大器一樣。它們易于設(shè)計，并已成為電子系統(tǒng)的重要組成部分。

同相放大器

我們將看到的第一個常見運算放大器配置是同相放大器(圖 2)。我總是想知道為什么我們不將其稱為“常規(guī)放大器”配置，或者只是“放大器”。

圖 2同相放大器使用兩個電阻器為運算放大器提供負反饋。

在這種配置中，我們看到我們有從輸出返回到反相輸入的反饋。這種負反饋意味著屬性#4 被調(diào)用，并且兩個輸入的電壓將始終為零(即，它們處于相同的電壓)。因為沒有電流可以流入輸入端，所以出現(xiàn)在同相輸入端的電壓由 R 1和 R 2形成的分壓器決定。

重新排列以獲得放大器的增益，

請注意，電路的電壓增益不取決于運算放大器的增益。我們假設(shè)如果運算放大器增益真的很大，那么足夠的反饋將應(yīng)用于非反相輸入以產(chǎn)生所需的功能。

讓我們檢查一下關(guān)于兩個運算放大器輸入之間電壓為零的假設(shè)。假設(shè)同相輸入比反相輸入高幾毫伏。運算放大器的巨大電壓增益會導(dǎo)致輸出增加，這將通過電阻分壓器反饋到反相輸入。反相輸入端電壓升高將導(dǎo)致運算放大器輸出降低，直到兩個輸入端具有相同的電壓。因此，運算放大器的高增益加上負反饋使輸入電壓保持不變。

緩沖放大器

同相放大器的一個特例是緩沖放大器(也稱為單位增益放大器或電壓跟隨器)，其電壓增益為 1(圖 3)。這相當(dāng)于在非反相放大器配置中使R 2為零和 R 1無窮大。再次施加負反饋，使得運算放大器輸入之間的電壓為零。這構(gòu)成了一個良好的緩沖放大器，輸入端具有無限阻抗，輸出端具有零阻抗。理想情況下，至少。

圖 3緩沖放大器提供無限輸入阻抗和零輸出阻抗。

反相放大器

另一種常見的運算放大器電路是反相放大器(圖 4)。顧名思義，輸出電壓被放大，極性與輸入相反。

圖 4反相放大器產(chǎn)生輸入的負值，按兩個電阻的比例縮放。

通過注意到運算放大器的兩個輸入將處于 0V 來分析該電路。同相輸入連接到地，反相輸入將通過電阻反饋驅(qū)動到相同的電壓。我們還注意到，電流 ( i ) 流過兩個電阻器，因為沒有電流進入運算放大器的反相輸入端。

重新排列以獲得放大器的增益，

增益中的負號很重要，在應(yīng)用電路時必須考慮。在某些情況下，這可能無關(guān)緊要，您可能只需要放大輸入信號而不考慮極性變化。在其他情況下，極性可能很關(guān)鍵，您的信號最終可能會顛倒。

差分放大器

反相放大器和同相放大器可以組合成一個差分放大器(也稱為差分放大器)，如圖 5所示。

圖 5差分放大器產(chǎn)生的輸出電壓是兩個輸入之間的差值。

應(yīng)用疊加，我們可以組合反相和同相放大器配置的增益方程。

用v 1代替 v in，反相增益保持不變：

v 2輸入有一個額外的分壓器，由 R 3和 R 4組成，因此增益方程變?yōu)椋?

結(jié)合這兩個方程得到：

如果我們設(shè)置 R 1 = R 3和 R 2 = R 4，則等式簡化為：

我們假設(shè)我們有理想的運算放大器，但我們沒有說任何關(guān)于電阻的事情。這些電路的增益將取決于電阻器的實際值以及它們的容差。對于我們依賴匹配電阻值的差分放大器來說尤其如此。