一文詳解運算放大器

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。

圖1：運算放大器的電路符號

如圖1所示，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。

運算放大器的基本（1） - 反相放大器電路

如圖2所示，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。

圖2：反相放大器電路

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。

運算放大器的基本（2） — 正相放大器電路

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）。

圖3：正相放大器電路

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。

輸入值的判定 — 比較器

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。

比較器電路如圖4所示。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。

通過這個動作，Vin和VREF的比較結果在Vout上輸出。

實際應用中，一般是圖4電路上產生滯后（用于防止錯誤動作的電壓領域），如圖5，Vin會產生一些噪波，但仍可穩定動作。

圖4：比較器電路

圖5：有滯后效應的比較器電路

利用正反饋的發振電路

負反饋動作中，從輸出返到輸入的信號越大，則輸出越小。于此相反，正反饋中，從輸出返到輸入的 信號越大，則輸入越大。當正反饋動作中增益大于1時，電路振蕩。將這種振蕩合理利用到電路中，就形成振蕩電路。

圖6的不穩定多諧振蕩器就是一個振蕩電路。

圖6：不穩定多諧振蕩器電路

+側最大值VL和－側最大值 VL都是不穩定的，兩個數值不斷變化，因此稱之為不穩定。我們來看看這個電路中的動作。首先，輸出Vout經由R2反饋至正相輸入端（ +），這是一個正反饋電路。然后在輸入Vout上應用R3和C，這是一個積分電路。大家可能會覺得積分電路很難，實際上，我們可以將它簡單理解為， 輸出在Vout上的電壓的一部分，緩緩儲存到電容器的一個過程電路。在初始狀態中，通過正反饋電路Vout迅速增大并達到最大值（VL）。

然后， 通過R3和C構成的積分電路，緩緩增加反相輸入端（－）。經過一定時間，正相輸入端（＋）的電壓超過反相輸入端（－）電壓，相當于在差動輸入上輸 入負電壓，則Vout在負側上迅速增大達到－VL。Vout變為負，通過R3和C構成的積分電路，反相輸入端（－）電壓緩緩增大。經過一定 時間后，反相輸入端電壓超過正相輸入端（＋）的電壓，相當于在差動輸入上輸入了正電壓，則Vout向正方向迅速變化。這個過程不斷重復，在Vout交替出現 VL和－VL，從而實現振蕩電路動作。
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