運算放大器（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。

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

運算放大器的5個理想特性

1、開環增益

開環增益是沒有正反饋或負反饋的運算放大器的增益。理想的運算放大器應具有無限的開環增益，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，它應該是無限的，沒有從電源到輸入的任何電流泄漏。但是在大多數運算放大器中都會有一些皮安電流泄漏。

3、輸出阻抗

理想的運算放大器應具有零輸出阻抗，且沒有任何內阻。這樣它就可以為連接到輸出的負載提供全電流。

4、帶寬

理想的運算放大器應具有無限的頻率響應，以便它可以將任何頻率從直流信號放大到最高交流頻率，但大多數運算放大器的帶寬有限。

5、偏移

當輸入之間的電壓差為零時，運算放大器的輸出應為零。但在大多數運算放大器中，關閉時輸出不會為零，但會產生微小的電壓。

uA741運算放大器引腳配置

運算放大器引腳配置

在典型的運算放大器中，將有8個引腳，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）

運算放大器中的4種增益類型

電壓增益 - 電壓輸入和電壓輸出；
電流增益 - 電流輸入和電流輸出；
跨導 - 電壓輸入和電流輸出；
跨阻 - 電流輸入和電壓輸出。

運算放大器的主要應用

1、放大

運算放大器的放大輸出信號是兩個輸入信號之差。

放大功能

上圖是運算放大器的簡單連接。如果兩個輸入端都提供相同的電壓，則運算放大器將獲取兩個電壓之間的差值，它將為0。運算放大器將其乘以增益1,000,000，因此輸出電壓為0。當2伏電壓為給一個輸入和另一個輸入1伏，然后運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一個電阻來完成的。

反相放大器：

反相放大器

上圖顯示的電路是一個反相放大器，其非反相輸入接地。兩個電阻器R1和R2以這樣的方式連接在電路中，即R1饋送輸入信號，而R2將輸出返回到反相輸入。在這里，當輸入信號為正時，輸出將為負，反之亦然。輸出相對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R1，輸出必須變為10 伏，以便通過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：

同相放大器

上面顯示的電路是一個非反相放大器，此處非反相輸入接收信號，而反相輸入連接在R2和R1之間。當輸入信號正或負移動時，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

電壓跟隨器

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

3、比較器

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

比較器產生有限的輸出電壓，可以輕松與數字邏輯接口，即使需要驗證兼容性。

運算放大器的硬性要求

1、偏移歸零

即使輸入電壓相同，大多數運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。在大多數運算放大器中，由于其固有特性和輸入偏置排列中的不匹配導致，存在一個小的偏移。

因此，即使輸入信號為零，某些運算放大器的輸出端也可以提供很小的輸出電壓。這個缺點可以通過向輸入提供一個小的偏移電壓來糾正。這稱為輸入偏移電壓。為了消除或清零偏移，大多數運算放大器都有兩個引腳來啟用偏移清零。為此，典型值為100K的Pot或Preset應連接在引腳1和5 之間，其抽頭接地。通過調整預設，可以將輸出設置為零電壓。

偏移歸零

2、選通或相位補償

運算放大器有時可能會變得不穩定，為了使它們在整個頻帶內穩定，通常在其Strobe引腳8和引腳1之間連接一個電容。通常會添加一個47pF的圓盤電容器來進行相位補償，以使運算放大器保持穩定。如果運算放大器用作靈敏放大器，這一點最為重要。

選通或相位補償

3、反饋

眾所周知，運算放大器具有非常高的放大水平，通常約為1,000,00 倍。假設運算放大器的增益為10,000，那么運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- )。

放大器反饋

在圖中，信號施加到非反相輸入，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。

現在來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電阻器就會大大降低增益。通過將一小部分輸出電壓輸入反相輸入可以顯著降低放大率。

放大器反饋

根據前面的等式，V out = 10,000 x (V+ – V-)。但是這里增加了一個反饋電阻。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。

負面反饋：

運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到平衡。所以，非反相 (+) 輸入端的輸入信號將在輸出端反射。具有負反饋的運算放大器會將其輸出驅動到必要的電平，因此其反相和非反相輸入之間的電壓差將幾乎為零。

負面反饋

正面反饋：

輸出電壓被反饋到非反相 (+) 輸入。輸入信號被饋送到反相輸入。在正反饋設計中，如果反相輸入接地，則運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。當輸入電壓為正時，運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，從而產生完整的正輸出。如果輸入電壓為負，則情況相反。

正面反饋：

簡單小結

運算放大器是一種非常高增益的直流差分放大器，它使用一個或多個外部反饋網絡來控制其響應和特性。“理想”或完美的運算放大器是具有某些特殊特性的器件，例如無限開環增益A O、無限輸入電阻R IN、零輸出電阻R OUT、無限帶寬0到∞和零偏移（輸出正好當輸入為零時為零）。

目前有大量的運算放大器可用于標準雙極型、精密型、高速、低噪聲、高壓等各種可能的應用，無論是標準配置還是內部結型FET晶體管。

另外，運算放大器可在單個器件中采用單、雙或四運算放大器的IC封裝，基本電子套件和項目中所有運算放大器中最常用和使用的是行業標準μA-741。

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