初級模擬電路：8-1 運算放大器概述

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      運算放大器（operational amplifier），簡稱：運放（op amp），是一種集成的放大器，它的特色是電壓增益很是大（一般爲幾萬以上），同時輸入阻抗高、輸出阻抗低，是一種比較理想的放大器。置於爲何要在它的名稱前加上「運算」兩字，是由於最初這個器件是用來作計算的用的。

      如今咱們以提到計算機，確定是指數字計算機，但當年可不是這樣。在上世紀40年代的時候，數字計算機的發展還剛剛起步，運算速度慢，價格昂貴，發展前景還不是很明朗。當年的不少計算工做都是靠模擬計算機來完成的，雖然模擬計算機的計算結果並非很精確，但其結構簡單，成本低廉，運算速度快，不少狀況下仍是能夠一用的（稍後咱們會介紹如何用運放來構成加減法電路、積分微分電路）。後來，人們發現運放不僅是能夠作運算，還能夠作成不少其餘有用的電路，例如：微信號放大器、比較器、振盪器、濾波器等等。

      本章咱們介紹理想運放的概念及其能構成的功能電路。

 

 

1. 理想運算放大器

      對於理想運放，咱們對其作以下假設：開環電壓增益爲無窮大、輸入阻抗爲無窮大、輸出阻抗爲0。其模型符號以下圖所示：

圖8-01.01 

      對於v_i1，其輸入端帶一個「+」號，咱們稱其爲：同相輸入端（noninverting input）。對於v_i2，其輸入端帶一個「-」號，咱們稱其爲：反向輸入端（inverting input）。

      理想運放有如下兩個重要特色：

      [1] 輸入電流爲0；

      [2] 兩個輸入端的電壓差永遠爲0。

      第(1)點輸入電流爲0很好理解，由於咱們將運放的輸入阻抗視爲無窮大了，因此近似於開路。可是第2點就有些魔幻了，對於通常的電路，只有在兩個端子之間連一根電線讓它們短路，才能保證這兩個端子的電壓差永遠爲0。但因爲第(1)點的限制，理想運放的兩個輸入端子中沒有任何電流流過，所以不是短路；但這兩個端子的電壓差又時刻保持爲0，就好像隔空同步同樣，所以有一個專門的名稱描述這一現象，稱爲：虛短（virtual short）。雖然在實際中沒有這種魔幻的器件，但因爲如今咱們僅僅是抽象一個理想化模型，所以我能夠接受這樣的假設。後面的各類理想運放電路的分析，都是基於理想運放這兩個特色展開的。（說句題外話，若是你再日後學習了信號處理與分析的相關知識，你就會理解，虛短是因爲運放內部深度負反饋的設計形成的必然結果。）

      咱們再來看輸出，既然兩個輸入端的電壓差爲0，電壓放大倍數又爲無窮大，那輸出電壓究竟是多少，0乘以無窮大是多少？這個就是理想運放的又一個魔幻點，因爲0乘以無窮大能夠爲任意值，所以理想運放的輸出也能夠爲任意值，具體會輸出多少伏電壓，徹底由外電路的配置決定。

      （順便先提一下，在實際的運放器件中，輸入電流不徹底爲0，而是有及其微小的電流流入運放；且兩個輸入端子之間的電壓差也不徹底爲0，而是有很小的幾個微伏的電壓。正是這個幾微伏的電壓，乘以幾萬量級的電壓增益後，才能獲得一個幾伏~十幾伏的輸出電壓，而且，可以輸出的最大電壓受到運放器件供電電壓V_CC的限制。）

 

 

2. 反相放大器

      運放一個最基本的運用就是用來放大電壓信號，雖然說其開環電壓增益爲無窮大，但咱們並非要使輸入信號放大無窮大倍。就像咱們在前面介紹過的各類BJT與FET放大電路那樣，咱們要的是經過配置外圍電路的電阻值，來獲得咱們想要的電壓放大倍數。

      一個最簡單的的使用運放的放大電路以下圖所示（這裏輸入輸出電壓都用交流相量符號表示）：

圖8-01.02 

      電路工做狀況分析以下：

      電路的同相工做端接地，電壓值爲0V，根據理想運放的虛短特色，V₁點的電壓也必須爲0V，而後根據歐姆定律，流過電阻R₁的電流爲：

      因爲理想運放的輸入端不能有任何電流流入，所以電流I₁不會被分流，而所有流向Rf，根據歐姆定律，輸出端的電壓V_o爲：

      電路的實際電壓增益爲：

      其中的負號代表，輸出電壓與輸入電壓極性相反，所以這個結構的放大電路稱爲：反相放大器（inverting amplifier），有時也稱爲：反相比例放大器。

      因爲輸出到輸入之間有一個電阻Rf的存在，其做用是創建了輸出到輸入之間的一個反饋通道，不像開環增益那樣是純單向的增益，所以這個電路的實際電壓增益也稱爲：閉環增益。閉環增益通常會比開環增益小得多，且其值不是取決於器件的原始性能，而是取決於電路的結構和配置。

 

 

3. 同相放大器

      同相放大器的電路結構以下圖所示：

圖8-01.03 

      電路工做狀況分析以下：

      運放的反相輸入端電壓V₁根據歐姆定律，計算式爲：

      根據理想運放的虛短特色，V₁點的電壓與輸入電壓V_i相等，故上式可寫爲：

      所以電路的的實際電壓增益爲：

      電壓增益的表達式中沒有負號，輸出電壓與輸入電壓極性相同，所以這個結構的放大電路稱爲：同相放大器（noninverting amplifier）。

 

 

4. 單位跟隨器

      同相放大器有一種特殊的應用，稱爲：單位跟隨器（unity follower），其結構以下圖所示：

圖8-01.04 

      其輸出電壓V_o跟隨輸入電壓V_i，電壓放大倍數爲1：

     

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