運(yùn)算放大器（OPerational AMPlifier）是模擬電子電路的基本組成部分. 它們是具有直流放大器所有特性的線性器件。可以在運(yùn)算放大器上使用外部電阻器或電容器，有許多不同的方法可以使它們成為不同形式的放大器，例如反相放大器、同相放大器、電壓跟隨器、比較器、差分放大器、求和放大器、積分器等。

運(yùn)算放大器可以是單個(gè)，雙個(gè)、四運(yùn)算等，它們具有出色的性能，輸入電流和電壓非常低。理想的運(yùn)算放大器除了其他端子外，還具有三個(gè)重要的端子。輸入端子為反相輸入和同相輸入。第三個(gè)端子是可以吸收和提供電流和電壓的輸出。輸出信號(hào)是放大器增益乘以輸入信號(hào)的值。

運(yùn)算放大器的5個(gè)理想特性

1、開(kāi)環(huán)增益

開(kāi)環(huán)增益是沒(méi)有正反饋或負(fù)反饋的運(yùn)算放大器的增益。理想的運(yùn)算放大器應(yīng)具有無(wú)限的開(kāi)環(huán)增益，但通常在20,000到2, 00000之間。

2、輸入阻抗

它是輸入電壓與輸入電流的比值，它應(yīng)該是無(wú)限的，沒(méi)有從電源到輸入的任何電流泄漏。但是在大多數(shù)運(yùn)算放大器中都會(huì)有一些皮安電流泄漏。

3、輸出阻抗

理想的運(yùn)算放大器應(yīng)具有零輸出阻抗，且沒(méi)有任何內(nèi)阻。這樣它就可以為連接到輸出的負(fù)載提供全電流。

4、帶寬

理想的運(yùn)算放大器應(yīng)具有無(wú)限的頻率響應(yīng)，以便它可以將任何頻率從直流信號(hào)放大到最高交流頻率，但大多數(shù)運(yùn)算放大器的帶寬有限。

5、偏移

當(dāng)輸入之間的電壓差為零時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出應(yīng)為零。但在大多數(shù)運(yùn)算放大器中，關(guān)閉時(shí)輸出不會(huì)為零，但會(huì)產(chǎn)生微小的電壓。

uA741運(yùn)算放大器引腳配置

在典型的運(yùn)算放大器中，將有8個(gè)引腳，這些分別是：

• Pin1 - 偏移空（Offset Null）
• Pin2 – 反相輸入INV（Inverting input INV）
• Pin3 – 非反相輸入Non-INV（Non inverting input Non-INV）
• Pin4 - 地 - 負(fù)電源（Ground- Negative supply）
• Pin5 - 偏移空（Offset Null）
• Pin6 – 輸出（Output）
• Pin7 – 正電源（Positive supply）
• Pin8 – 頻閃（Strobe）

運(yùn)算放大器中的4種增益類型

1. 電壓增益 - 電壓輸入和電壓輸出；
2. 電流增益 - 電流輸入和電流輸出；
3. 跨導(dǎo) - 電壓輸入和電流輸出；
4. 跨阻 - 電流輸入和電壓輸出。

運(yùn)算放大器的主要應(yīng)用

1、放大

運(yùn)算放大器的放大輸出信號(hào)是兩個(gè)輸入信號(hào)之差。

上圖是運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單連接。如果兩個(gè)輸入端都提供相同的電壓，則運(yùn)算放大器將獲取兩個(gè)電壓之間的差值，它將為0。運(yùn)算放大器將其乘以增益1,000,000，因此輸出電壓為0。當(dāng)2伏電壓為給一個(gè)輸入和另一個(gè)輸入1伏，然后運(yùn)算放大器將取其差異并乘以增益。即1伏 x 1,000,000。但是這個(gè)增益非常高，所以為了降低增益，從輸出到輸入的反饋通常是通過(guò)一個(gè)電阻來(lái)完成的。

反相放大器：

上圖顯示的電路是一個(gè)反相放大器，其非反相輸入接地。兩個(gè)電阻器R1和R2以這樣的方式連接在電路中，即R1饋送輸入信號(hào)，而R2將輸出返回到反相輸入。在這里，當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，輸出將為負(fù)，反之亦然。輸出相對(duì)于輸入的電壓變化取決于電阻器R1和R2的比率。R1選為1K，R2選為10K。如果輸入接收到1伏，則將有1毫安電流通過(guò)R1，輸出必須變?yōu)?0 伏，以便通過(guò)R2提供1毫安電流并保持反相輸入端的零電壓。因此電壓增益為R2/R1，即10K/1K=10。

同相放大器：

上面顯示的電路是一個(gè)非反相放大器，此處非反相輸入接收信號(hào)，而反相輸入連接在R2和R1之間。當(dāng)輸入信號(hào)正或負(fù)移動(dòng)時(shí)，輸出將同相并保持反相輸入端的電壓與同相輸入端的電壓相同。在這種情況下，電壓增益將始終高于1，因此 是(1+R2/R1)。

2、電壓跟隨器

上面的電路是一個(gè)電壓跟隨器。在這里它提供了高輸入阻抗，低輸出阻抗。當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，輸出和反相輸入將同樣變化。

3、比較器

運(yùn)算放大器將一個(gè)輸入端施加的電壓與另一個(gè)輸入端施加的電壓進(jìn)行比較，電壓之間的任何差異（如果很小）都會(huì)使運(yùn)算放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)提供給兩個(gè)輸入的電壓具有相同的幅度和相同的極性時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出為0伏。

比較器產(chǎn)生有限的輸出電壓，可以輕松與數(shù)字邏輯接口，即使需要驗(yàn)證兼容性。

運(yùn)算放大器的硬性要求

1、偏移歸零

即使輸入電壓相同，大多數(shù)運(yùn)算放大器在輸出端都有偏移電壓。為了使輸出為零電壓，使用了偏移歸零方法。在大多數(shù)運(yùn)算放大器中，由于其固有特性和輸入偏置排列中的不匹配導(dǎo)致，存在一個(gè)小的偏移。

因此，即使輸入信號(hào)為零，某些運(yùn)算放大器的輸出端也可以提供很小的輸出電壓。這個(gè)缺點(diǎn)可以通過(guò)向輸入提供一個(gè)小的偏移電壓來(lái)糾正。這稱為輸入偏移電壓。為了消除或清零偏移，大多數(shù)運(yùn)算放大器都有兩個(gè)引腳來(lái)啟用偏移清零。為此，典型值為100K的Pot或Preset應(yīng)連接在引腳1和5 之間，其抽頭接地。通過(guò)調(diào)整預(yù)設(shè)，可以將輸出設(shè)置為零電壓。

2、選通或相位補(bǔ)償

運(yùn)算放大器有時(shí)可能會(huì)變得不穩(wěn)定，為了使它們?cè)谡麄�(gè)頻帶內(nèi)穩(wěn)定，通常在其Strobe引腳8和引腳1之間連接一個(gè)電容。通常會(huì)添加一個(gè)47pF的圓盤電容器來(lái)進(jìn)行相位補(bǔ)償，以使運(yùn)算放大器保持穩(wěn)定。如果運(yùn)算放大器用作靈敏放大器，這一點(diǎn)最為重要。

3、反饋

眾所周知，運(yùn)算放大器具有非常高的放大水平，通常約為1,000,00 倍。假設(shè)運(yùn)算放大器的增益為10,000，那么運(yùn)算放大器將放大其同相輸入 (V+) 和反相輸入 (V-) 的電壓差。所以輸出電壓 V out 為

10,000 x (V+ – V- )。

在圖中，信號(hào)施加到非反相輸入，反相輸入連接到輸出。所以V+=V in，V-=Vout。因此Vout=10,000 x (Vin – Vout)。因此輸出電壓幾乎等于輸入電壓。

現(xiàn)在來(lái)看看反饋是如何工作的，只需在反相輸入和輸出之間添加一個(gè)電阻器就會(huì)大大降低增益。通過(guò)將一小部分輸出電壓輸入反相輸入可以顯著降低放大率。

根據(jù)前面的等式，V out = 10,000 x (V+ – V-)。但是這里增加了一個(gè)反饋電阻。所以這里V+是Vin，V-是R1.R1+R2 x V out。因此，V out為10,000 x ( Vin – R1.R1+R2xVout)。所以V out = R1+R2.R1x Vin。

負(fù)面反饋：

運(yùn)算放大器的輸出連接到其反相 (–) 輸入，因此輸出被反饋到輸入以達(dá)到平衡。所以，非反相 (+) 輸入端的輸入信號(hào)將在輸出端反射。具有負(fù)反饋的運(yùn)算放大器會(huì)將其輸出驅(qū)動(dòng)到必要的電平，因此其反相和非反相輸入之間的電壓差將幾乎為零。

正面反饋：

輸出電壓被反饋到非反相 (+) 輸入。輸入信號(hào)被饋送到反相輸入。在正反饋設(shè)計(jì)中，如果反相輸入接地，則運(yùn)算放大器的輸出電壓將取決于非反相輸入電壓的幅度和極性。當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出將為正，并且該正電壓將饋送到非反相輸入，從而產(chǎn)生完整的正輸出。如果輸入電壓為負(fù)，則情況相反。

簡(jiǎn)單小結(jié)

運(yùn)算放大器是一種非常高增益的直流差分放大器，它使用一個(gè)或多個(gè)外部反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制其響應(yīng)和特性。“理想”或完美的運(yùn)算放大器是具有某些特殊特性的器件，例如無(wú)限開(kāi)環(huán)增益A O、無(wú)限輸入電阻R IN、零輸出電阻R OUT、無(wú)限帶寬0到∞和零偏移（輸出正好當(dāng)輸入為零時(shí)為零）。

目前有大量的運(yùn)算放大器可用于標(biāo)準(zhǔn)雙極型、精密型、高速、低噪聲、高壓等各種可能的應(yīng)用，無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)配置還是內(nèi)部結(jié)型FET晶體管。

另外，運(yùn)算放大器可在單個(gè)器件中采用單、雙或四運(yùn)算放大器的IC封裝，基本電子套件和項(xiàng)目中所有運(yùn)算放大器中最常用和使用的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)μA-741。