運算放大器(Operational Amplifier,簡稱OP、OPA、OPAMP)是一種直流耦合﹐差模(差動模式)輸入、通常為單端輸出(Differential-in, single-ended output)的高增益(gain)電壓放大器，因為剛開始主要用于加法，乘法等運算電路中，因而得名。一個理想的運算放大器必須具備下列特性：無限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。最基本的運算放大器如圖1-1。一個運算放大器模組一般包括一個正輸入端(OP_P)、一個負輸入端(OP_N)和一個輸出端(OP_O)。

圖1-1

通常使用運算放大器時，會將其輸出端與其反相輸入端(inverting input node)連接，形成一負反饋(negative feedback)組態(tài)。原因是運算放大器的電壓增益非常大，范圍從數(shù)百至數(shù)萬倍不等，使用負反饋方可保證電路的穩(wěn)定運作。但是這并不代表運算放大器不能連接成正回饋(positive feedback)，相反地，在很多需要產(chǎn)生震蕩訊號的系統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運算放大器是很常見的組成元件。

開環(huán)回路運算放大器如圖1-2。當一個理想運算放大器采用開回路的方式工作時，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下：

Vout = ( V+ -V-) * Aog

其中Aog代表運算放大器的開環(huán)回路差動增益(open-loop differential gai由于運算放大器的開環(huán)回路增益非常高，因此就算輸入端的差動訊號很小，仍然會讓輸出訊號「飽和」(saturation)，導致非線性的失真出現(xiàn)。因此運算放大器很少以開環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中，少數(shù)的例外是用運算放大器做比較器(comparator)，比較器的輸出通常為邏輯準位元的「0」與「1」。

閉環(huán)負反饋將運算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來，放大器電路就處在負反饋組態(tài)的狀況，此時通常可以將電路簡單地稱為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號進入放大器的端點，又可分為反相(inverting)放大器與非反相(non-inverting)放大器兩種。

反相閉環(huán)放大器如圖1-3。假設(shè)這個閉環(huán)放大器使用理想的運算放大器，則因為其開環(huán)增益為無限大，所以運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

圖1-3

理想運放和理想運放條件:

在分析和綜合運放應用電路時，大多數(shù)情況下，可以將集成運放看成一個理想運算放大器。理想運放顧名思義是將集成運放的各項技術(shù)指標理想化。由于實際運放的技術(shù)指標比較接近理想運放，因此由理想化帶來的誤差非常小，在一般的工程計算中可以忽略。

實際運放的參數(shù)達到如下水平即可以按理想運放對待：

電壓放大倍數(shù)達到104～105倍;輸入電阻達到105Ω;輸出電阻小于幾百歐姆; 外電路中的電流遠大于偏置電流;失調(diào)電壓、失調(diào)電流及其溫漂很小，造成電路的漂移在允許范圍之內(nèi)，電路的穩(wěn)定性符合要求即可;輸入最小信號時，有一定信噪比，共模抑制比大于等于60dB;帶寬符合電路帶寬要求即可。

理想運放工作在線性區(qū)時可以得出二條重要的結(jié)論：

虛短

因為理想運放的電壓放大倍數(shù)很大，而運放工作在線性區(qū)，是一個線性放大電路，輸出電壓不超出線性范圍(即有限值)，所以，運算放大器同相輸入端與反相輸入端的電位十分接近相等。在運放供電電壓為±15V時，輸出的最大值一般在10～13V。所以運放兩輸入端的電壓差，在1mV以下，近似兩輸入端短路。這一特性稱為虛短，顯然這不是真正的短路，只是分析電路時在允許誤差范圍之內(nèi)的合理近似。

虛斷

由于運放的輸入電阻一般都在幾百千歐以上，流入運放同相輸入端和反相輸入端中的電流十分微小，比外電路中的電流小幾個數(shù)量級，流入運放的電流往往可以忽略，這相當運放的輸入端開路，這一特性稱為虛斷。顯然，運放的輸入端不能真正開路。

運用“虛短”、“虛斷”這兩個概念，在分析運放線性應用電路時，可以簡化應用電路的分析過程。運算放大器構(gòu)成的運算電路均要求輸入與輸出之間滿足一定的函數(shù)關(guān)系，因此均可應用這兩條結(jié)論。如果運放不在線性區(qū)工作，也就沒有“虛短”、“虛斷”的特性。如果測量運放兩輸入端的電位，達到幾毫伏以上，往往該運放不在線性區(qū)工作，或者已經(jīng)損壞。