關于運算放大器的簡單介紹和運用

運算放大器是一種可以進行數學運算的放大電路。運算放大器不僅可以通過增大或減小模擬輸入信號來實 現放大，還可以進行加減法以及微積分等運算。所以，運算放大器是一種用途廣泛，又便于使用的集成電路。

運算放大器的電路符號有正相輸入端Vin（+）和反相輸入端Vin（－）兩個輸入引腳，以及一個輸出引腳Vout。實際上運算放大器還有電源引腳（+電源、－電源）和偏移輸入引腳等，在電路符號上沒有表示出來。

運算放大器的主要功能是以高增益放大、輸出2個模擬信號的差值。我們將放大2個輸入電壓差的運放稱為差動放大器。當Vin(+)電壓較高時，正向放大輸出 。當Vin（－）電壓較高時，負向放大輸出。此外，運算放大器還具有輸入阻抗極大和輸出阻抗極小的特征。

即使輸入信號的差很小，由于運算放大器有極高 的放大倍數，所以，也會導致輸出最大或最小電壓值。因此，常常要加負反饋后使用。下面讓我們來看一個使用了負反饋的放大器電路。

反相放大器電路具有放大輸入信號并反相輸出的功能?！胺聪唷钡囊馑际钦?、符號顛倒。這個放大器應用了負反饋技術。所謂負反饋，即將輸出信號的一部分返回到輸入，在圖2所示電路中，象把輸出Vout經由R2連接(返回)到反相輸入端（－）的連接方法就是負反饋。

我們來看一下這個反相放大器電路的工作過程。運算放大器具有以下特點，當輸出端不加電源電壓時，正相輸入端（+）和反相輸入端（－）被認為施加了相同的電壓，也就是說可以認為是虛短路。所以，當正相輸入端（+）為0V時，A點的電壓也為0V。根據歐姆定律，可以得出經過R1的I1=Vin/R1。

另外，運算放大器的輸入阻抗極高，反相輸入端（－）中基本上沒有電流。因此，當I1經由A點流向R2時，I1和I2電流基本相等。由以上條件，對 R2使用歐姆定律，則得出Vout=－I1×R2。I1為負是因為I2從電壓為0V的點A流出。換一個角度來 看，當反相輸入端(－)的輸入電壓上升時，輸出會被反相，向負方向大幅度放大。由于這個負方向的輸出電壓經由R2與反相輸入端相連，因此，會使反相輸入端(－)的電壓上升受阻。反相輸入端和正相輸入端電壓都變為0V，輸出電壓穩定。

那么我們通過這個放大器電路中輸入與輸出的關系來計算一下增益。增益是Vout和Vin的比，即Vout/Vin=（－I1×R2）/（I1×R1）=－R2/R1。所得增益為－表示波形反向。

在這個算公式中需要特別注意的地方是，增益僅由R1和R2電阻比決定。也就是說。我們可以通過改變電阻容易地改變增益。在具有高增益的運算放大器上應用負反饋，通過調整電阻值，就可以得到期望的增益電路。

與反相放大器電路相對， 圖3所示電路叫做正相放大器電路。與反相放大器電路最大的不同是，在正相放大器電路中，輸入波形和輸出波形的相位是相同的，以及輸入信號是加在正相輸入端（+）。與反相放大器電路相同的是，兩個電路都利用了負反饋。

我們來看一下這個電路的工作過程。首先，通過虛短路，正相輸入端（+）和反相輸入端 （－）的電壓都是Vin，即點A電壓為Vin。根據歐姆定律，Vin=R1×I1。另外，運算放大器的兩個輸入端上基本沒有電流，所以 I1=I2。而Vout為R1與R2電壓的和，即Vout=R2×I2+R1×I1。 整理以上公式可得到增益G，即G=Vout/Vin=（1+R2/R1）。

如果撤銷這個電路中的R1，將R2電阻變為0Ω 或者短路，則電路變為增益為1的電壓跟隨器。這種電路常用于阻抗變換和緩沖器中。

Comparator也可稱為比較器，比較兩個電壓的大小，然后輸 出1（+側的電源電壓，圖示為VDD）或0（－側的電源電壓）。比較器常常用于檢測輸入是否達到規定值。也可以用運算放大器來代替比較器，但一般情況下使用專用的比較器IC。比較器和運算放大器使用相同電路符號。

我們來看一下這個電路的工作過程。首先應該注意，這個電路中沒有正反饋也沒有負反饋。放大Vin和VREF的差值，從Vout輸出。例如，Vin大于VREF時，放大輸出的Vout上升至+側的電源電壓，達到飽和。Vin小于VREF時，輸出Vout下降至－側電源電壓達到飽和。