運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)“運(yùn)放”)是模擬電路領(lǐng)域常用的電子元器件之一，屬于有源元件，具有多個(gè)端鈕，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的加減乘除、比例運(yùn)算、微分和積分等計(jì)算，也可以用來(lái)處理電信號(hào)，如比較和選擇信號(hào)的幅度。如今運(yùn)算放大器憑借其優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、各種測(cè)量裝置中，對(duì)電子科技的發(fā)展有著重要的意義。下面一起來(lái)了解了解其的原理：
1.基本原理
運(yùn)算放大器有三個(gè)端口，其中有兩個(gè)輸入端口，分別為“+”和“-”，一個(gè)輸出端口。當(dāng)輸入信號(hào)從“-”端口輸入放大器時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相;反之，當(dāng)輸入信號(hào)從“+”端口輸入放大器時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相;當(dāng)兩個(gè)輸入端口同時(shí)輸入信號(hào)時(shí)，運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減數(shù)運(yùn)算，輸出信號(hào)與較大的一方同相。所以說(shuō)，運(yùn)算放大器基本上可以說(shuō)是一個(gè)電壓放大器。一個(gè)理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性：無(wú)限大的 輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無(wú)限大的開(kāi)回路增益、無(wú)限大的共模排斥比的部分、無(wú)限大的頻寬。基本的運(yùn)算放大器如圖1所示：
圖1 基本運(yùn)算放大器
通常使用運(yùn)算放大器時(shí)，會(huì)將其輸出端與其反相輸入端(inverting input node)連接，形成一負(fù)反饋(negative feedback)狀態(tài)。原因是運(yùn)算放大器的電壓增益非常大，范圍從數(shù)百至數(shù)萬(wàn)倍不等，使用負(fù)反饋方可保證電路的穩(wěn)定運(yùn)作。但是這并不代表運(yùn)算放大器不能連接成正回饋(positive feedback)，相反地，在很多需要產(chǎn)生震蕩訊號(hào)的系統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運(yùn)算放大器是很常見(jiàn)的組成元件。
2.開(kāi)環(huán)電路
開(kāi)環(huán)回路運(yùn)算放大器如圖2。當(dāng)一個(gè)理想運(yùn)算放大器采用開(kāi)回路的方式工作時(shí)，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下：
Vout=(V+-V-)*Aog
圖2 開(kāi)環(huán)回路運(yùn)算放大器
其中Aog代表運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路差動(dòng)增益(open-loop differential gai)由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路增益非常高，因此就算輸入端的差動(dòng)訊號(hào)很小，仍然會(huì)讓輸出訊號(hào)「飽和」(saturation)，導(dǎo)致非線性的失真出現(xiàn)。因此運(yùn)算放大器很少以開(kāi)環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中，少數(shù)的例外是用運(yùn)算放大器做比較器(comparator)，比較器的輸出通常為邏輯準(zhǔn)位元的「0」與「1」。
3.閉環(huán)負(fù)反饋
將運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電路就處在負(fù)反饋組態(tài)的狀況，此時(shí)通常可以將電路簡(jiǎn)單地稱(chēng)為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號(hào)進(jìn)入放大器的端點(diǎn)，又可分為反相(inverting)放大器與非反相(non-inverting)放大器兩種。
圖3 反相閉環(huán)放大器
反相閉環(huán)放大器如圖3。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_(kāi)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(virtual ground)，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下：
Vout=-(Rf/Rin)*Vin
非反相閉環(huán)放大器如圖4。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_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端電壓差幾乎為零，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下：
Vout = ((R2/R1)+1)* Vin
圖4 非反相閉環(huán)放大器
4.閉環(huán)正回饋
將運(yùn)算放大器的正向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電路就處在正回饋的狀況，由于正回饋組態(tài)工作于一極不穩(wěn)定的狀態(tài)，多應(yīng)用于需要產(chǎn)生震蕩訊號(hào)的應(yīng)用中。
以上就是運(yùn)算放大器的工作原理介紹了。在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)算放大器的選擇必須要綜合考慮到設(shè)計(jì)目的、目標(biāo)的信號(hào)電平、閉環(huán)增益、所需的精度以及環(huán)境條件等其他因素，并將需求性能轉(zhuǎn)化為運(yùn)算放大器的對(duì)應(yīng)參數(shù)。雖然運(yùn)算放大電路難，但是不管多復(fù)雜的電路，只要運(yùn)用合適的方法，抓住運(yùn)放電路的基本特點(diǎn)，所有的問(wèn)題都可以解答的。
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