2022-03-10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(jin) 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，又便於(yu) 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同相輸入端Vin（+）和反相輸入端Vin（－）兩(liang) 個(ge) 輸入引腳，以及一個(ge) 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放大兩(liang) 輸入端之間的差模信號，抑製共模信號。當信號從(cong) Vin（+）輸入，且負反饋接至Vin（-），輸出得到同相放大的結果 。當信號從(cong) Vin（－）輸入，且負反饋任接在Vin（-）時，輸出得到反相放大的結果。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。
下麵讓我們(men) 來看下使用了上述負反饋的放大器電路
運算放大器的基本電路 — 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並反相輸出的功能。“反相”的意思是正、符號顛倒。這個(ge) 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(men) 來看一下這個(ge) 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，同相輸入端（+）和反相輸入端（－）被認為(wei) 施加了相同的電壓，也就是說可以認為(wei) 是虛短路。所以，當同相輸入端（+）為(wei) 0V時，A點的電壓也為(wei) 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(wei) 負是因為(wei) I2從(cong) 電壓為(wei) 0V的點A流出。換一個(ge) 角度來 看，當反相輸入端（－）的輸入電壓上升時，輸出會(hui) 被反相，向負方向大幅度放大。由於(yu) 這個(ge) 負方向的輸出電壓經由R2與(yu) 反相輸入端相連，因此，會(hui) 使反相輸入端（－）的電壓上升受阻。反相輸入端和同相輸入端電壓都變為(wei) 0V，輸出電壓穩定。
那麽(me) 我們(men) 通過這個(ge) 放大器電路中輸入與(yu) 輸出的關(guan) 係來計算一下增益。增益是Vout和Vin的比，即Vout/Vin=（－I1×R2）/（I1×R1）=－R2/R1。所得增益為(wei) －表示波形反向。
在這個(ge) 算公式中需要特別注意的地方是，增益僅(jin) 由R1和R2電阻比決(jue) 定。也就是說。我們(men) 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。
運算放大器的基本電路 — 同相放大器電路
與(yu) 反相放大器電路相對， 圖3所示電路叫做同相放大器電路。與(yu) 反相放大器電路最大的不同是，在同相放大器電路中，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同相輸入端（+）。與(yu) 反相放大器電路相同的是，兩(liang) 個(ge) 電路都利用了負反饋。
我們(men) 來看一下這個(ge) 電路的工作過程。首先，通過虛短路，同相輸入端（+）和反相輸入端 （－）的電壓都是Vin，即點A電壓為(wei) Vin。根據歐姆定律，Vin=R1×I1。另外，運算放大器的兩(liang) 個(ge) 輸入端上基本沒有電流，所以 I1=I2。而Vout為(wei) R1與(yu) 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：同相放大器電路
如果去掉這個(ge) 電路中的R1，將R2電阻變為(wei) 0Ω 或者短路，則電路變為(wei) 增益為(wei) 1的電壓跟隨器。這種電路常用於(yu) 阻抗變換和緩衝(chong) 器中。
輸入值的判定 — 比較器
Comparator，中文翻譯為(wei) 比較器，比較兩(liang) 個(ge) 電壓的大小，然後輸出邏輯高或邏輯低。比較器常常用於(yu) 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，但一般情況下建議使用專(zhuan) 用的比較器IC（關(guan) 於(yu) 運算放大器用作比較器的應用差異參考以往專(zhuan) 刊介紹）。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(men) 來看一下這個(ge) 電路的工作過程。首先應該注意，這個(ge) 電路中沒有正反饋也沒有負反饋。放大Vin和VREF的差值，從(cong) Vout輸出。例如，Vin大於(yu) VREF時，放大輸出的Vout上升至+側(ce) 的電源電壓，達到飽和。Vin小於(yu) VREF時，輸出Vout下降至－側(ce) 電源電壓達到飽和。
通過這個(ge) 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(chan) 生滯後（用於(yu) 防止錯誤動作的電壓領域），如圖5，Vin會(hui) 產(chan) 生一些噪波，但仍可穩定動作。
圖4：比較器電路
圖5：有滯回效應的比較器電路
利用正反饋的諧振電路
負反饋係統中，從(cong) 輸出返到輸入的信號越大，則輸出越小。於(yu) 此相反，正反饋中，從(cong) 輸出返到輸入的 信號越大，則輸入越大。當正反饋係統中增益大於(yu) 1時，電路會(hui) 振蕩。將這種振蕩合理利用到電路中，就形成了振蕩電路。圖6的不穩定多諧振蕩器就是一個(ge) 振蕩電路。
圖6：不穩定多諧振蕩器電路
+側(ce) 最大值VL和－側(ce) 最大值 VL都是不穩定的，兩(liang) 個(ge) 數值不斷變化，因此稱之為(wei) 不穩定。我們(men) 來看看這個(ge) 電路中的動作。首先，輸出Vout經由R2反饋至同相輸入端（ +），這是一個(ge) 正反饋電路。然後在輸入Vout上應用R3和C，這是一個(ge) 積分電路。大家可能會(hui) 覺得積分電路很難，實際上，我們(men) 可以將它簡單理解為(wei) ， 輸出在Vout上的電壓的一部分，緩緩儲(chu) 存到電容器的一個(ge) 過程電路。在初始狀態中，通過正反饋電路Vout迅速增大並達到最大值（VL）。
然後， 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，同相輸入端（＋）的電壓超過反相輸入端（－）電壓，相當於(yu) 在差動輸入上輸 入負電壓，則Vout在負側(ce) 上迅速增大達到－VL。Vout變為(wei) 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 時間後，反相輸入端電壓超過同相輸入端（＋）的電壓，相當於(yu) 在差動輸入上輸入了正電壓，則Vout向正方向迅速變化。這個(ge) 過程不斷重複，在Vout交替出現 VL和－VL，從(cong) 而實現振蕩電路動作。
