什么是運算放大器？

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，通常結合反饋網絡共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器，其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數學運算的結果。由于早期應用于模擬計算機中用以實現數學運算，因而得名“運算放大器”。

在多數的常規設計中，我們使用運放的理想模型，忽略其內部結構。把它當作一個“具有放大作用的元件”，接上電源，便可以讓它發揮放大的作用。所謂理想的運放，它的輸入阻抗無窮大，輸出阻抗為零，如下圖所示。

理想的運放電路分析有兩大重要原則貫穿始終，即“虛短”與“虛斷”。“虛短”的意思是正端和負端接近短路，即V+=V-,看起來像“短路”;“虛斷”的意思是流入正端及負端的電流接近于零，即I+=I-=0,看起來像斷路（因為輸入阻抗無窮大）。

運算放大器是差分輸入、單端輸出的極高增益放大器，常用于高精度模擬電路，因此必須精確測量其性能。運算放大器是用途廣泛的器件，接入適當的反饋網絡，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器、振蕩器及電壓比較器，廣泛應用于家電、工業以及科學儀器領域。

在實際應用中，可以通過采用具有出色輸入特性的運算放大器，并進一步提高其性能，使其電壓范圍、增益精度、壓擺率和失真性能均優于原來的運算放大器，以滿足不同的需求。

運算放大器的工作原理

下面顯示的是一個簡單運算放大器的內部框圖（不帶電源）。

有兩個輸入引腳和一個輸出引腳。 –ve 輸入稱為 反相輸入，+ve 輸入稱為 同相輸入 。輸入連接到差分放大器，然后是更多差分放大級。

在差分放大器中，我們發現了所謂的長尾對。晶體管 Q1 和 Q2 是一對非常匹配的FET 或雙極晶體管。。它們通過配置為恒流源的晶體管 Q3 連接到 –ve。

+ve 和 -ve 輸入之間的任何電壓差都會導致 Q1 和 Q2 的集電極或漏極成比例擺動。這稱為運算放大器的開環增益。 Q1 和 Q2 原始增益的任何差異都會導致不必要的大輸出擺幅。通過添加一些組件以在輸入和輸出之間提供負反饋，這一切都可以置于我們的控制之下并變得可預測。

差分放大后，電平移位級將輸出電壓擺幅集中在 0V 附近，因為所有級都是直流耦合的。最后，低阻抗輸出放大器驅動負載并防止輸出的任何變化影響輸入。

運算放大器的電路符號

簡化的、理想化的運算放大器是一個三端器件。

左邊的兩個端子是輸入，右邊的端子是輸出。請注意，輸入端子有不同的標簽：加號表示 同相輸入端子 ，減號表示 反相輸入端子 。

真正的運算放大器至少需要五個端子——兩個輸入、一個輸出和兩個電源連接：

雙電源運算放大器電路（左側）使用正電源電壓和負電源電壓。在單電源配置中（右側），負電源端子接地。

當我們繪制運算放大器時，我們經常省略電源端子，因為我們假設該器件連接到電源電壓，以便在給定應用的情況下能夠正常運行。然而，重要的是要記住運算放大器的輸出電壓范圍受到其電源電壓的限制。

運算放大器的基本電路

1、同相放大器電路

同相放大器是一種運算放大器電路配置，可產生放大的輸出信號。它提供高輸入阻抗以及使用運算放大器獲得的所有優勢。電路圖如圖1所示：

圖1 同相放大器電路

2、反相放大器電路

反相放大器(也稱為反相運算放大器或反相運算放大器)是一種運算放大器電路，它產生的輸出與其輸入相差 180 度。來輸入信號。在圖2中，兩個外部電阻器用于創建反饋電路并在放大器兩端形成閉環電路。

圖2 反相放大器電路

運算放大器作為加法器通過將更多輸入連接到反相運算放大器，可以構成加法器電路。加法放大器的電路圖如圖3所示。

圖3 運算放大器作為加法器

3、差分放大器電路

差分放大器是一種具有兩個輸入和一個輸出的模擬電路，其輸出理想地與兩個電壓之間的差成正比。這是一個非常有用的運算放大器電路，通過添加更多與輸入電阻并聯的電阻，如圖4所示。

圖4 差分放大器

4、復合放大器電路

復合放大器被稱為多個運算放大器的組合，這些運算放大器與整個網絡的負反饋回路級聯在一起。這些反饋回路本質上是負的，因此它們也被稱為嵌套反饋放大器。負反饋有助于減少輸出的波動。這些波動可能由于輸入的變化或外部干擾而發生。系統輸出的某些功能被輸入到輸入，從而實現負反饋。如圖5所示。

圖5 復合放大器

電路中的電阻一般選擇在K歐姆級別，電阻的比值影響增益和偏置，另外，運放的供電電流、頻率響應和容性負載驅動能力決定了它們在電路中的具體值。如果用于高頻電路，需要降低電阻以獲得更好的高頻響應，但會增加輸入偏置電流，從而增加電源的電流。

使用運算放大器的電路設計

1、使用運算放大器的過流保護電路設計

可以通過使用運算放大器感測過電流來設計一個簡單的過流保護電路，并根據結果驅動Mosfet 斷開/連接負載與電源。相同的電路圖很簡單，如圖所示。

從圖中可以看出，MOSFET IRF540N 用于在正常和過載條件下控制負載的開啟或關閉。但在關閉負載之前，必須檢測負載電流。這是通過使用分流電阻器R1來完成的，它是一個1歐姆分流電阻器，額定功率為2 瓦。這種測量電流的方法稱為分流電阻電流檢測。

在MOSFET導通狀態期間，負載電流流經MOSFET的漏極至源極，最后通過分流電阻流至GND。根據負載電流，分流電阻會產生一個電壓降，可以使用歐姆定律計算出該電壓降。因此，讓我們假設，對于1A 的電流(負載電流)，分流電阻器上的壓降為1V，因為V = I x R(V = 1A x1歐姆)。因此，如果將此壓降與使用運算放大器的預定義電壓進行比較，可以檢測過流并改變MOSFET的狀態以切斷負載。

運算放大器通常用于執行加、減、乘等數學運算。因此，在該電路中，運算放大器LM358被配置為比較器。根據原理圖，比較器比較兩個值。第一個是分流電阻器兩端的壓降，另一個是使用可變電阻器或電位計RV1的預定義電壓(參考電壓)。RV1充當分壓器。分流電阻器上的壓降由比較器的反相端檢測，并將其與連接在運算放大器同相端的參考電壓進行比較。

因此，如果檢測到的電壓小于參考電壓，比較器將在輸出端產生一個接近比較器VCC的正電壓。但是，如果感測電壓大于參考電壓，比較器將在輸出兩端產生負電源電壓(負電源連接到 GND，因此在這種情況下為0V)。該電壓足以打開或關閉MOSFET。

2、使用運算放大器的電壓控制電流源電路設計

這是通過使用運算放大器的電壓控制電流源電路設計。如圖所示，現在不是直接連接到負輸入的運算放大器的輸出，負反饋來自連接在N 溝道MOSFET兩端的分流電阻器。運算放大器輸出連接在Mosfet 門上。

讓我們假設，在運算放大器的正輸入端提供1V輸入。運算放大器將不惜一切代價使負反饋路徑為1V。輸出將打開MOSFET以在負端子上獲得1V。分流電阻的規則是根據歐姆定律產生壓降，V= IR。因此，如果1A 電流流過1 歐姆電阻，則會產生 1V壓降。

圖為負反饋電路

運算放大器將使用此壓降并獲得所需的1V 反饋。現在，如果連接一個需要電流控制才能運行的負載，可以使用該電路并將負載放置在適當的位置。

圖為電流控制的負載電路

下圖是運算放大器電壓控制電流源的詳細電路圖。

圖為電壓控制電流源設計電路圖