什么是運算放大器？

許多教材和參考指南將運算放大器（運放）定義為可以執(zhí)行各種功能或操作（如放大、加法和減法）的專用集成電路（IC）。雖然我同意這個定義，但仍需注重芯片的輸入引腳的電壓。

當輸入電壓相等時，運算放大器通常在線性范圍內(nèi)工作，而運算放大器正是在線性范圍內(nèi)準確地執(zhí)行上述功能。然而，運算放大器只能改變一個條件來使輸入電壓相等，即輸出電壓。因此，運算放大器的輸出通常以某種方式連接到輸入，這種通常被稱為電壓反饋。

在本文中，我將解釋一個通用電壓反饋運算放大器的基本操作，并請您參閱其他內(nèi)容以了解更多信息。

運算放大器設計

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圖1描述了運算放大器的標準示意圖符號。有兩個輸入端（ IN+,  IN-）、一個輸出端（OUT）和兩個電源端（ V+,  V-）。這些端的名稱可能因制造商而異，甚至單個制造商也可能使用不同的名稱，但它們?nèi)匀皇窍嗤奈鍌€端。

例如，您可能會看到 V_cc 或 V_dd 而不是V+。又或者，您可能會看到 V_ee 或 V_ss 而不是 V-。電源端子的其他標簽會有所不同，因為它們指的是器件內(nèi)部的晶體管類型。例如，當在運算放大器內(nèi)部使用雙極結(jié)型晶體管（BJT）時，電源對應于BJT的集電極和發(fā)射極： V_cc 和 V_ee 。在運算放大器內(nèi)部使用場效應晶體管（FET）時，電源標簽與FET的漏極和源極相對應： V_dd和 V_ss 。如今，許多運算放大器同時包含BJT和FET，因此V+和V-是常見的標簽，與器件內(nèi)部的晶體管無關(guān)。簡言之，不要太在意引腳標簽，只要理解它們的作用即可。

圖1：通用型運算放大器示意圖符號

等式1表示運算放大器的傳遞函數(shù)：

(1)

在等式1中， A_OL 被稱為“開環(huán)增益”。在現(xiàn)代運算放大器中，它通常是一個非常大的值（120 dB或1,000,000 V/V）。例如，如果 IN+和 IN-之間的電壓差僅為1mV，運算放大器將嘗試輸出1000V！在這種配置中，運算放大器不在線性區(qū)域內(nèi)工作，因為輸出不能使輸入彼此相等（記住，理想情況下 In+等于 In-）。因此，運算放大器需要一種方法來控制開環(huán)增益，即通過負反饋來實現(xiàn)。

圖2描述了作為反饋控制系統(tǒng)一部分的運算放大器。您會注意到輸出OUT通過一個標記為?的塊反饋到負輸入IN-。?被稱為反饋因子，通常使用電阻來降低輸出電壓。

圖2：負反饋運算放大器

圖3比較了開環(huán)運算放大器和負反饋運算放大器。這些 TINA-TI?軟件仿真電路 采用的運放是近乎理想的運放，加了電源來限制輸出電壓。注意，對于左側(cè)的開環(huán)配置，輸出幾乎等于正電源（V+）。這是因為輸入引腳之間有一個很小的差異（100mV）。這種小電壓被開環(huán)增益放大，開環(huán)增益會強制輸出到其中一個電源電壓。在圖3右側(cè)的負反饋或閉環(huán)電路中，運算放大器輸出上的分壓器需要200 mV的輸出電壓，以便使反相和同相輸入相等。

圖3：開環(huán)（左）與負反饋（右）

輸入電壓的放大稱為增益。它是反饋回路中電阻值的函數(shù)。等式2描述了圖3中右邊電路的增益方程，這就是所謂的同相放大器。您將看到計算出的輸出電壓與仿真相符。如果您想要了解有關(guān)此電路（以及其他常見的運算放大器電路，如緩沖器、同相放大器和差分放大器）的更多信息，您可以下載電子書 “模擬工程師電路指南：放大器”。