什么是運(yùn)算放大器？

許多教材和參考指南將運(yùn)算放大器（運(yùn)放）定義為可以執(zhí)行各種功能或操作（如放大、加法和減法）的專(zhuān)用集成電路（IC）。雖然我同意這個(gè)定義，但仍需注重芯片的輸入引腳的電壓。

當(dāng)輸入電壓相等時(shí)，運(yùn)算放大器通常在線性范圍內(nèi)工作，而運(yùn)算放大器正是在線性范圍內(nèi)準(zhǔn)確地執(zhí)行上述功能。然而，運(yùn)算放大器只能改變一個(gè)條件來(lái)使輸入電壓相等，即輸出電壓。因此，運(yùn)算放大器的輸出通常以某種方式連接到輸入，這種通常被稱(chēng)為電壓反饋。

在本文中，我將解釋一個(gè)通用電壓反饋運(yùn)算放大器的基本操作，并請(qǐng)您參閱其他內(nèi)容以了解更多信息。

運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

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圖1描述了運(yùn)算放大器的標(biāo)準(zhǔn)示意圖符號(hào)。有兩個(gè)輸入端（ IN+,  IN-）、一個(gè)輸出端（OUT）和兩個(gè)電源端（ V+,  V-）。這些端的名稱(chēng)可能因制造商而異，甚至單個(gè)制造商也可能使用不同的名稱(chēng)，但它們?nèi)匀皇窍嗤奈鍌€(gè)端。

例如，您可能會(huì)看到 V_cc 或 V_dd 而不是V+。又或者，您可能會(huì)看到 V_ee 或 V_ss 而不是 V-。電源端子的其他標(biāo)簽會(huì)有所不同，因?yàn)樗鼈冎傅氖瞧骷?nèi)部的晶體管類(lèi)型。例如，當(dāng)在運(yùn)算放大器內(nèi)部使用雙極結(jié)型晶體管（BJT）時(shí)，電源對(duì)應(yīng)于BJT的集電極和發(fā)射極： V_cc 和 V_ee 。在運(yùn)算放大器內(nèi)部使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）時(shí)，電源標(biāo)簽與FET的漏極和源極相對(duì)應(yīng)： V_dd和 V_ss 。如今，許多運(yùn)算放大器同時(shí)包含BJT和FET，因此V+和V-是常見(jiàn)的標(biāo)簽，與器件內(nèi)部的晶體管無(wú)關(guān)。簡(jiǎn)言之，不要太在意引腳標(biāo)簽，只要理解它們的作用即可。

圖1：通用型運(yùn)算放大器示意圖符號(hào)

等式1表示運(yùn)算放大器的傳遞函數(shù)：

(1)

在等式1中， A_OL 被稱(chēng)為“開(kāi)環(huán)增益”。在現(xiàn)代運(yùn)算放大器中，它通常是一個(gè)非常大的值（120 dB或1,000,000 V/V）。例如，如果 IN+和 IN-之間的電壓差僅為1mV，運(yùn)算放大器將嘗試輸出1000V！在這種配置中，運(yùn)算放大器不在線性區(qū)域內(nèi)工作，因?yàn)檩敵霾荒苁馆斎氡舜讼嗟龋ㄓ涀?，理想情況下 In+等于 In-）。因此，運(yùn)算放大器需要一種方法來(lái)控制開(kāi)環(huán)增益，即通過(guò)負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2描述了作為反饋控制系統(tǒng)一部分的運(yùn)算放大器。您會(huì)注意到輸出OUT通過(guò)一個(gè)標(biāo)記為?的塊反饋到負(fù)輸入IN-。?被稱(chēng)為反饋因子，通常使用電阻來(lái)降低輸出電壓。

圖2：負(fù)反饋運(yùn)算放大器

圖3比較了開(kāi)環(huán)運(yùn)算放大器和負(fù)反饋運(yùn)算放大器。這些 TINA-TI?軟件仿真電路 采用的運(yùn)放是近乎理想的運(yùn)放，加了電源來(lái)限制輸出電壓。注意，對(duì)于左側(cè)的開(kāi)環(huán)配置，輸出幾乎等于正電源（V+）。這是因?yàn)檩斎胍_之間有一個(gè)很小的差異（100mV）。這種小電壓被開(kāi)環(huán)增益放大，開(kāi)環(huán)增益會(huì)強(qiáng)制輸出到其中一個(gè)電源電壓。在圖3右側(cè)的負(fù)反饋或閉環(huán)電路中，運(yùn)算放大器輸出上的分壓器需要200 mV的輸出電壓，以便使反相和同相輸入相等。

圖3：開(kāi)環(huán)（左）與負(fù)反饋（右）

輸入電壓的放大稱(chēng)為增益。它是反饋回路中電阻值的函數(shù)。等式2描述了圖3中右邊電路的增益方程，這就是所謂的同相放大器。您將看到計(jì)算出的輸出電壓與仿真相符。如果您想要了解有關(guān)此電路（以及其他常見(jiàn)的運(yùn)算放大器電路，如緩沖器、同相放大器和差分放大器）的更多信息，您可以下載電子書(shū) “模擬工程師電路指南：放大器”。