上篇我們了解了運算放大器在使用之前的一些重要注意事項。本篇讓我們來了解一下如何將運算放大器在系統設計中使用得恰到好處，讓其能力得以充分發揮。

運算放大器的基本應用方式

按照最基本的形式，運算放大器用作同相放大器(圖1)和反相放大器(圖2)。同相放大器和反相放大器都有負反饋(輸出端連接至VIN(-))。閉環增益(ACL)可使用虛擬短路(亦稱虛擬接地)概念輕松計算出。

同相放大器的輸入阻抗非常高，因為其輸入端直接連接至運算放大器。相反，反相放大器的輸入阻抗低于同相放大器的輸入阻抗，因為VIN(-)和VIN(+)具有相同的電位，因為他們實際上為虛擬短路狀態并且R1作為輸入阻抗。

圖1：同相放大器

圖2：反相放大器

圖3：電壓跟隨器

圖3顯示了一個電壓跟隨器。可將電壓跟隨器視為一個具有無窮大電阻R1且R2為零的同相放大器。由于電壓跟隨器的增益較低(單位增益，AV=1)，因此其帶寬較寬。必須要小心的是，電壓跟隨器容易受第二極點影響。大多數運算放大器可用作單位增益放大器，因為其在充分大于單位增益交越頻率(fT)的頻率下具有第二極點。而導線或負載電容可能會使其發生振蕩。如果給定運算放大器的數據表顯示其可在單位增益下使用，則其可用作電壓跟隨器。

此外，運算放大器具有多種應用，包括差分放大器(減法電路圖4)以及加法器(圖5)和積分器電路(圖6)。

圖4：差分放大器(減法電路)

圖5：加法電路

圖6：積分電路

虛擬短路

使用虛擬短路(亦稱為虛擬接地)的概念，可輕松計算出具有負反饋的運算放大器的閉環增益。虛擬短路概念是指當具有較大開環增益時，無論輸入信號如何，具有負反饋的運算放大器的VIN(+)端子和VIN(-)端子其電位幾乎相同。

圖7：負反饋放大器(反相放大器)

在圖7所示的負反饋放大器(反相放大器)情況下，由于輸出端與輸入端之間的連接方式，輸出增加導致輸入減少。因此，輸出信號介于電源和接地端之間。假設一個反相放大器的輸入電壓為1此時，運算放大器以100,000的開環增益運行。由于輸出電壓為3Vpp，故輸入電壓為3Vpp/100,000=30μVpp。因此，VIN(-)≈VIN(+)。接下來，我們通過簡單計算來理解這一點。

假設運算放大器為理想放大器。則會出現以下情況：

1. 無窮大開環增益(AV)

2. 無窮大輸入阻抗

3. 零輸出阻抗

由于輸入阻抗無窮大，流經R1的所有電流(i1)都流經R2。

i1=(Vi–VIN(?))/R1=(VIN(?)-Vo)/R2

(1)由下式得出運算放大器的輸出電壓：

Vo=AV×(VIN(+)–VIN(?))

(2)根據等式1和等式2，VIN(+)計算如下：

由于輸出阻抗為零，我們通過公式3得到VIN(+)=VIN(?)。因此，VIN(?)輸入端的電壓等于連接至GND的VIN(+)輸入端的電壓。在這種情況下，VIN(?)輸入端的狀況即稱為虛擬短路。

廣義上看，虛擬接地是電路的一個節點，該節點保持在一個穩定的基準電位，不直接連接至電源或接地。在圖7的電路中，VIN(-)稱為虛擬接地，因為其實際上等于GND。

讓我們使用虛擬短路和理想運算放大器計算圖8中所示的同相放大器的閉環增益(AV)。我們將輸出電壓(Vo)表示為Vi的函數。根據虛擬短路概念，VIN(-)=VIN(+)=Vi。

因此，流經R1的電流(i1)計算如下：

I1=VIN(-)/R1=Vi/R1

圖8：同相放大器

無電流流向運算放大器輸入端，因為其具有無窮大阻抗。設流經R2的電流為I2，I1=I2。故R2兩端的電壓(VR2)為：

VR2=R2×I2=R2×Vi/R1

故Vo計算如下：

Vo=VR1+VR2

=Vi+R2×Vi/R1=Vi×(R1+R2)/R1

AV=Vo/Vi=(R1+R2)/R1

您可輕松得到閉環增益等式。

圖9：反相放大器

也可用相同方式計算出圖9所示的反相放大器的閉環增益(AV)。

VIN(-)=VIN(+)=0V(GND)

I1=V1/R1=I2

Vo=VR2=R2×I2=R2×V1/R1

故閉環增益為：

AV=Vo/Vi=R2/R1

如上所述，可使用虛擬短路和理想運算放大器概念輕松計算出閉環增益。

本篇全面分享了運算放大器的各種使用方式，下一篇我們將和您介紹運算放大器的電氣特性。

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