簡介

運算放大器是線性設計的基本構建模塊之一。在經典模式下，運算放大器由兩個輸入引腳和一個輸出引腳構成，其中一個輸入引腳使信號反相，另一個輸入引腳則保持信號的相位。運算放大器的標準符號如圖1所示。其中略去了電源引腳，該引腳顯然是器件工作的必需引腳。

圖1:運算放大器的標準符號

運算放大器"的標準簡稱是"運放".這一名稱源于放大器設計的早期，當時運算放大器應用于模擬計算機中。(是的，第一代計算機是模擬的，不是數字的。)當這種基礎放大器與幾個外部元件配合使用時，可以執(zhí)行各種數學"運算",如加、積分等。模擬計算機的主要用途之一體現在第二次世界大戰(zhàn)期間，當時，它們被用來繪制彈道軌跡。有關運算放大器的歷史，請看參考文獻2.

理想的電壓反饋(VFB)模型

理想的電壓反饋(VFB)運算放大器經典模型具有以下特征：

1. 輸入阻抗無窮大

2. 帶寬無窮大

3. 電壓增益無窮大

4. 零輸出阻抗

5. 零功耗

雖然這些并不現實，但這些理想標準決定著運算放大器的質量。

這就是所謂的電壓反饋(VFB)模型。這類運算放大器包括帶寬在10 MHz以下的幾乎所有運算放大器，以及帶寬更高的運算放大器的90%.電流反饋(CFB)是另一種運算放大器架構，我們將在另一教程中討論。圖2總結了理想的電壓反饋運算放大器的屬性。

圖2:理想的電壓反饋運算放大器的屬性

基本工作原理

理想的運算放大器的基本工作原理非常簡單。首先，我們假定輸出信號的一部分反饋至反相引腳，以建立放大器的固定增益。這是負反饋。通過運算放大器輸入引腳的任何差分電壓都將與放大器的開環(huán)增益(對于理想的運算放大器，該值無窮大)相乘。如果該差分電壓的幅度在反相(–)引腳上為正且高于同相(+)引腳，則輸出會變成負。如果差分電壓的幅度在同相(+)引腳上為正且高于反相(–)引腳，則輸出電壓將變成正。放大器的無窮大開環(huán)增益會嘗試迫使差分輸入電壓變?yōu)榱阒?。只要輸入和輸出處于放大器的工作電壓范圍之內，就會使差分輸入電壓保持于零，輸出為輸入電壓與反饋網絡決定的增益之積。請注意，輸出對差模電壓而非共模電壓作出反應。

反相和同相配置

有兩種基本方法可以把理想的電壓反饋運算放大器配置為放大器。分別如圖3和圖4所示。

圖3:反相模式的運算放大器級

圖4:同相模式的運算放大器級

圖3所示為反相配置。在該電路中，輸出與輸入反相。該電路的信號增益取決于所用電阻的比值，計算公式為：

圖4所示為同相配置。在該電路中，輸出與輸入同相。該電路的信號增益同樣取決于所用電阻的比值，計算公式為：

請注意，當電路配置為最小增益1(RG = ∞)時，由于輸出驅動分壓器(增益設置網絡)，所以反相引腳端的最大可用電壓為全部輸出電壓。

另外注意，在反相和同相兩種配置中，反饋是從輸出引腳到反相引腳。這是負反饋，對設計師來說，這有許多優(yōu)勢，我們將對此進行詳細討論。

另外需要注意的是，增益是以電阻的比值而不是其實際值為基礎。這就意味著，設計師可以從多種值中進行選擇，只需遵循某種實際限制即可。

然而，如果電阻的值太低，則需運算放大器輸出引腳提供大量電流才能正常工作。這會導致運算放大器本身的功耗大幅增加，從而帶來多種缺點。功耗增加會使芯片自熱，結果可能改變運算放大器本身的直流特性。另外，產生熱量最終可能使結溫升高至150°C以上，而這是多數半導體常用的上限。結溫為硅片本身的溫度。另一方面，如果電阻值過高，就會導致噪聲和寄生電容增加，結果也可能限制帶寬，并有可能導致不穩(wěn)定和振蕩。[!--empirenews.page--]

從實用角度來看，10 以下和1 M以上的電阻很難找到，尤其是需要精密電阻時。

計算反相運算放大器的增益

我們來詳細討論一下反相運算放大器的情況。如圖5所示，同相引腳接地。我們假定采用一種雙極性(正和負)電源。由于運算放大器將強制使通過輸入引腳的差分電壓變成零，所以反相輸入也會表現為地電壓。事實上，這個節(jié)點通常稱為"虛擬地".

圖5:反相放大器增益

如果向輸入電阻施加電壓(VIN)，就會通過電阻(RG)產生電流(I1)，因此：

由于理想的運算放大器輸入阻抗無窮大，因此，不會有電流流入反相輸入引腳。因此，同一電流(I1)一定會流過反饋電阻(RF)。由于放大器將強制使反相引腳變成地，因此，輸出引腳將有電壓(VOUT)：

經過一些簡單的算術運算，可以得到結論(等式 1)，即：

計算同相運算放大器的增益。

圖6:同相放大器增益

現在，我們來詳細考察一下同相放大器的情況。如圖6所示，輸入電壓施加于同相引腳。

輸出電壓驅動一個由RF和RG構成的分壓器。反相引腳(VA)端的電壓(位于兩個電阻的接合處)等于：

運算放大器的負反饋行為會使差分電壓變成0,因此：

經過簡單的算術運算可得：

與等式2相同。

在上述討論中，我們把增益設置元件稱為電阻。事實上，它們是阻抗，而不僅僅是電阻。這樣，我們可以構建依賴于頻率的放大器。對于這個問題，我們將在以后的教程中詳細討論。