一、運算放大器概述

運算放大器（Operational Amplifier，簡稱OP、OPA、OPAMP、運放）是具有很高放大倍數的電路單元，是模擬電子電路的基本組成部分之一。由于早期應用于模擬計算機中，用以實現數學運算，如加、減、微分、積分等，故得名“運算放大器”。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現，也可以實現在半導體芯片當中。隨著半導體技術的發展，大部分的運放是以單芯片的形式存在，并廣泛應用于電子行業中。

運算放大器內部包含多級放大電路，其輸入級通常采用差分放大電路，具有高輸入電阻和抑制零點漂移能力；中間級主要進行電壓放大，具有高電壓放大倍數，一般由共射極放大電路構成；輸出級與負載相連，具有帶載能力強、低輸出電阻的特點。此外，運算放大器還具有高增益、低漂移、深度負反饋等特性，這些特性使得運算放大器在信號調理、濾波、信號比較、模擬計算等多種電子電路系統中得到廣泛應用。

二、運算放大器的工作原理

1. 基本結構

運算放大器的基本結構包括一個正輸入端（OP_P）、一個負輸入端（OP_N）和一個輸出端（OP_O）。在實際應用中，運算放大器通常與外部反饋網絡相結合，形成特定的功能模塊。

2. 高增益特性

運算放大器能夠提供非常高的電壓增益，即輸出與輸入之間的電壓比值很大，通常是幾千到幾十萬。這種高增益特性使得運算放大器能夠對微弱的輸入信號進行放大，從而滿足各種應用需求。

3. 差分輸入與虛短特性

運算放大器具有兩個輸入端：同相輸入端（+）和反相輸入端（-）。這兩個輸入端對輸入信號的微小變化非常敏感，且希望兩個輸入端的電壓差盡可能為零，即所謂的“虛短”（virtual short）。在沒有外部反饋的情況下，運算放大器會試圖使其兩個輸入端的電壓相等。

4. 深度負反饋

通過外部電路連接可以引入負反饋，使運放的實際工作狀態接近理想的線性區，提高精度和穩定性。同時，負反饋還可以根據需要配置成各種功能電路，如放大、加法、減法、積分、微分等運算電路。在深度負反饋條件下，運放的行為往往取決于反饋網絡，而不是其本身的開環增益。

5. 工作模式

運算放大器的工作模式主要包括反相放大模式和非反相放大模式。

• 反相放大模式 ：在這種模式下，運放的輸出信號與反相輸入端信號相反，并按一定的比例放大。反相放大器電路具有放大輸入信號和反相輸出的功能。其工作原理是通過負反饋技術，將輸出信號的一部分返回到反相輸入端，從而保持輸入端的電壓差不變。此時，增益由反饋電阻和輸入電阻的比值決定。
• 非反相放大模式 ：在這種模式下，運放的輸出信號與同相輸入端信號相同，并按一定的比例放大。非反相放大器電路與反相放大電路的主要區別在于輸入信號加在同相輸入端上。同樣地，非反相放大器也采用負反饋技術來保持輸入端的電壓差為零，并通過調整反饋電阻和輸入電阻的比值來改變增益。

6. 理想特性

一個理想的運算放大器應具備以下特性：

• 無限大的輸入阻抗：使得輸入端對前級電路的影響幾乎為零。
• 等于零的輸出阻抗：使得輸出端能夠驅動各種負載而不影響輸出電壓。
• 無限大的開回路增益：即在沒有反饋的情況下，輸出電壓與輸入電壓之間的比值無限大。
• 無限大的共模排斥比：即運算放大器對共模信號的抑制能力非常強。
• 無限大的頻寬：即運算放大器能夠處理各種頻率的信號而不失真。

然而，在實際應用中，運算放大器的這些特性都是有限的，但通過合理的設計和選擇，可以使其接近理想狀態以滿足應用需求。

三、運算放大器的實際應用案例

1. 儀表放大器

儀表放大器是一種特殊的運算放大器電路，它專門用于放大微弱的差分信號。儀表放大器具有高共模抑制比和低噪聲特性，非常適合于測量和傳感應用。它通過內部集成的差分輸入級和共模抑制電路來實現對共模信號的抑制和對差分信號的放大。

2. 有源濾波器

有源濾波器是利用運算放大器和其他電子元件構建的濾波器電路。與無源濾波器相比，有源濾波器具有更高的增益和更好的頻率響應特性。通過配置不同的反饋網絡和元件參數，可以實現低通、高通、帶通和帶阻等多種濾波功能。

3. 精密整流器

精密整流器是一種利用運算放大器實現的電路，它能夠將交流信號轉換為直流信號并保持較高的精度。精密整流器通常包括一個運算放大器和一個二極管或二極管橋式整流電路。通過運算放大器的負反饋作用，可以消除二極管正向壓降對整流精度的影響。

4. 模擬乘法器

模擬乘法器是一種利用運算放大器實現的電路，它能夠實現兩個模擬信號的乘法運算。模擬乘法器在信號處理、控制系統和通信系統中有著廣泛的應用。通過配置特定的反饋網絡和元件參數，可以實現乘法運算并滿足特定的性能要求。

四、運算放大器的重要應用

1、運算放大器作為積分器的應用

運算放大器也用作積分器。積分運算放大器產生與輸入信號的幅度以及輸入信號的持續時間成比例的輸出。我們在反饋環路中沒有使用電阻器，而是使用了電容器。當輸出隨信號的輸入和持續時間變化時，它能夠執行積分的數學運算。

2、運算放大器作為電壓電流轉換器的應用

具有負反饋的運算放大器用于電壓到電流的轉換。在電路中，電壓施加到同相端，輸出反饋到反相端。電阻器用于將電路接地。

3、運算放大器作為電流電壓轉換器的應用

運算放大器可用作電流電壓轉換器，使用非常簡單的電路，如上所示。我們所需要的只是一個連接到運算放大器輸出的反饋電阻。電流源饋入反相端，非反相端接地。這里，輸出電壓與輸入電流成正比。由于理想的運算放大器具有無窮大的電阻，因此電流不能流過運算放大器。電流流經反饋電阻，其兩端的電壓取決于電流源。

4、運算放大器作為對數放大器的應用

使用運算放大器的對數放大器是通過在反饋環路中使用二極管而不是電阻來制成的。非反相端接地，輸入電壓饋送到反相端。輸出電壓與輸入電壓的對數成正比，因此可以用作對數放大器。

5、運算放大器作為電壓比較器的應用

這也許是最容易理解的。兩個電壓源施加到運算放大器的兩個端子。將參考電壓施加到反相端，將待測電壓施加到非反相端。如果施加的電壓大于參考電壓，我們將得到正輸出，否則我們將得到負輸出。