簡介：

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

當輸入電壓相等時，運算放大器通常在線性范圍內工作，而運算放大器正是在線性范圍內準確地執行上述功能。 然而，運算放大器只能改變一個條件來使輸入電壓相等，即 輸出電壓 。 因此，運算放大器的輸出通常以某種方式連接到輸入，這種通常被稱為 電壓反饋 。

(資料圖片僅供參考)

在本文中，我將解釋一個通用電壓反饋運算放大器的基本操作。

圖1描述了運算放大器的 標準示意圖符號 。 有兩個輸入端( IN+, IN- )、一個輸出端( OUT )和兩個電源端( V+, V- )。 這些端的名稱可能因制造商而異，甚至單個制造商也可能使用不同的名稱，但它們仍然是 相同的五個端 。

例如，您可能會看到Vcc或Vdd而不是V+。 又或者，您可能會看到Vee或Vss而不是V-。 電源端子的其他標簽會有所不同，因為它們指的是器件內部的晶體管類型。 例如，當在運算放大器內部使用 雙極結型晶體管 (BJT)時，電源對應于BJT的集電極和發射極：Vcc和Vee。 在運算放大器內部使用場效應晶體管FET)時，電源標簽與FET的漏極和源極相對應：Vdd和Vss。 如今，許多運算放大器同時包含BJT和FET，因此V+和V-是常見的標簽，與器件內部的晶體管無關。 簡言之，不要太在意引腳標簽，只要理解它們的作用即可。

圖1: 通用型運算放大器示意圖符號

等式1表示運算放大器的傳遞函數：

(1)

在等式1中，AOL被稱為 “開環增益 ”。 在現代運算放大器中，它通常是一個非常大的值(120 dB或1,000,000 V/V)。 例如，如果IN+和IN-之間的電壓差僅為1mV，運算放大器將嘗試輸出1000V! 在這種配置中，運算放大器不在線性區域內工作，因為輸出不能使輸入彼此相等(記住，理想情況下In+等于In-)。 因此，運算放大器需要一種方法來控制開環增益，即通過負反饋來實現。

圖2描述了作為反饋控制系統一部分的運算放大器。 您會注意到輸出OUT通過一個標記為?的塊反饋到負輸入IN-。 ?被稱為反饋因子，通常使用電阻來降低輸出電壓。

圖2：負反饋運算放大器

圖3比較了開環運算放大器和負反饋運算放大器。 這些TINA-TI軟件仿真電路采用的運放是近乎理想的運放，加了電源來限制輸出電壓。 注意，對于左側的開環配置，輸出幾乎等于正電源(V+)。 這是因為輸入引腳之間有一個很小的差異( 100mV )。 這種小電壓被開環增益放大，開環增益會強制輸出到其中一個電源電壓。 在圖3右側的負反饋或閉環電路中，運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：開環(左)與負反饋(右)

輸入電壓的放大稱為增益。 它是反饋回路中電阻值的函數。 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。 您將看到計算出的輸出電壓與仿真相符。 如果您想要了解有關此電路(以及其他常見的運算放大器電路，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 “模擬工程師電路指南：放大器” 。 ”

(2)

運算放大器的輸出受到電源電壓的限制。 圖4是圖3中同相放大器的輸出電壓與輸入電壓的關系圖。 注意當輸出接近正負電源時，輸出由于飽和受限。

圖4：同相放大器電路的輸出與輸入電壓

由于這個限制，在圖5中可以看到，隨著輸出接近電源，輸入引腳之間的電壓差Vdiff增加。 只有當輸入幾乎相等時，運算放大器才在線性區域工作。

圖5：同相放大器電路的Vdiff和IN+

為了更深入地了解運算放大器，請查看我們的模擬課程TI高精度實驗室。 本課程將深入探討運算放大器，并討論輸入失調電壓(Vos)、輸入偏置電流(IB)和輸入/輸出限制等基本非理想因素。 還有一些高級主題講座，如運算放大器帶寬(BW)、壓擺率(SR)、噪聲、共模抑制比(CMRR)、電源抑制比(PSRR)和穩定性。 除了講座之外，有些主題還包括動手實驗。 為了進行這些實驗，您需要相應的運算放大器評估模塊。

如果您喜歡DIY一些電路，那么可能會對通用DIY放大器電路評估模塊(用于單通道運放)、雙通道通用DIY放大器電路評估(用于雙通道運放)或DIP封裝轉換評估模塊(可與標準的打樣板或電路試驗板一起使用)感興趣。 DIY-EVMs支持不同封裝的運放，并具有許多標準運算放大器電路，如本文所述的同相放大器、反相放大器、緩沖器和濾波器(包括Sallen-Key和多反饋)。 由于雙列直插式封裝(DIP)轉換EVM可以將許多標準的表面貼裝封裝轉換為DIP，以便與電路試驗板一起使用，因此您可以評估任何配置的放大器。

這就是運算放大器的 基本原理 ：只有當輸入引腳的電壓相等時，運算放大器才是線性的。 然而，為了實現這一點，運算放大器只能調整其輸出電壓。 輸出擺幅限制會導致輸入電壓差增大，從而導致非線性。

審核編輯：湯梓紅