初级模拟电路：8-1 运算放大器概述

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      运算放大器（operational amplifier），简称：运放（op amp），是一种集成的放大器，它的特色是电压增益很是大（一般为几万以上），同时输入阻抗高、输出阻抗低，是一种比较理想的放大器。置于为何要在它的名称前加上“运算”两字，是由于最初这个器件是用来作计算的用的。

      如今咱们以提到计算机，确定是指数字计算机，但当年可不是这样。在上世纪40年代的时候，数字计算机的发展还刚刚起步，运算速度慢，价格昂贵，发展前景还不是很明朗。当年的不少计算工做都是靠模拟计算机来完成的，虽然模拟计算机的计算结果并非很精确，但其结构简单，成本低廉，运算速度快，不少状况下仍是能够一用的（稍后咱们会介绍如何用运放来构成加减法电路、积分微分电路）。后来，人们发现运放不仅是能够作运算，还能够作成不少其余有用的电路，例如：微信号放大器、比较器、振荡器、滤波器等等。

      本章咱们介绍理想运放的概念及其能构成的功能电路。

 

 

1. 理想运算放大器

      对于理想运放，咱们对其作以下假设：开环电压增益为无穷大、输入阻抗为无穷大、输出阻抗为0。其模型符号以下图所示：

图8-01.01 

      对于v_i1，其输入端带一个“+”号，咱们称其为：同相输入端（noninverting input）。对于v_i2，其输入端带一个“-”号，咱们称其为：反向输入端（inverting input）。

      理想运放有如下两个重要特色：

      [1] 输入电流为0；

      [2] 两个输入端的电压差永远为0。

      第(1)点输入电流为0很好理解，由于咱们将运放的输入阻抗视为无穷大了，因此近似于开路。可是第2点就有些魔幻了，对于通常的电路，只有在两个端子之间连一根电线让它们短路，才能保证这两个端子的电压差永远为0。但因为第(1)点的限制，理想运放的两个输入端子中没有任何电流流过，所以不是短路；但这两个端子的电压差又时刻保持为0，就好像隔空同步同样，所以有一个专门的名称描述这一现象，称为：虚短（virtual short）。虽然在实际中没有这种魔幻的器件，但因为如今咱们仅仅是抽象一个理想化模型，所以我能够接受这样的假设。后面的各类理想运放电路的分析，都是基于理想运放这两个特色展开的。（说句题外话，若是你再日后学习了信号处理与分析的相关知识，你就会理解，虚短是因为运放内部深度负反馈的设计形成的必然结果。）

      咱们再来看输出，既然两个输入端的电压差为0，电压放大倍数又为无穷大，那输出电压究竟是多少，0乘以无穷大是多少？这个就是理想运放的又一个魔幻点，因为0乘以无穷大能够为任意值，所以理想运放的输出也能够为任意值，具体会输出多少伏电压，彻底由外电路的配置决定。

      （顺便先提一下，在实际的运放器件中，输入电流不彻底为0，而是有及其微小的电流流入运放；且两个输入端子之间的电压差也不彻底为0，而是有很小的几个微伏的电压。正是这个几微伏的电压，乘以几万量级的电压增益后，才能获得一个几伏~十几伏的输出电压，而且，可以输出的最大电压受到运放器件供电电压V_CC的限制。）

 

 

2. 反相放大器

      运放一个最基本的运用就是用来放大电压信号，虽然说其开环电压增益为无穷大，但咱们并非要使输入信号放大无穷大倍。就像咱们在前面介绍过的各类BJT与FET放大电路那样，咱们要的是经过配置外围电路的电阻值，来获得咱们想要的电压放大倍数。

      一个最简单的的使用运放的放大电路以下图所示（这里输入输出电压都用交流相量符号表示）：

图8-01.02 

      电路工做状况分析以下：

      电路的同相工做端接地，电压值为0V，根据理想运放的虚短特色，V₁点的电压也必须为0V，而后根据欧姆定律，流过电阻R₁的电流为：

      因为理想运放的输入端不能有任何电流流入，所以电流I₁不会被分流，而所有流向Rf，根据欧姆定律，输出端的电压V_o为：

      电路的实际电压增益为：

      其中的负号代表，输出电压与输入电压极性相反，所以这个结构的放大电路称为：反相放大器（inverting amplifier），有时也称为：反相比例放大器。

      因为输出到输入之间有一个电阻Rf的存在，其做用是创建了输出到输入之间的一个反馈通道，不像开环增益那样是纯单向的增益，所以这个电路的实际电压增益也称为：闭环增益。闭环增益通常会比开环增益小得多，且其值不是取决于器件的原始性能，而是取决于电路的结构和配置。

 

 

3. 同相放大器

      同相放大器的电路结构以下图所示：

图8-01.03 

      电路工做状况分析以下：

      运放的反相输入端电压V₁根据欧姆定律，计算式为：

      根据理想运放的虚短特色，V₁点的电压与输入电压V_i相等，故上式可写为：

      所以电路的的实际电压增益为：

      电压增益的表达式中没有负号，输出电压与输入电压极性相同，所以这个结构的放大电路称为：同相放大器（noninverting amplifier）。

 

 

4. 单位跟随器

      同相放大器有一种特殊的应用，称为：单位跟随器（unity follower），其结构以下图所示：

图8-01.04 

      其输出电压V_o跟随输入电压V_i，电压放大倍数为1：

     

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