運算放大器是線性設計的基本組成部分之一。 在其經(jīng)典形式中，它由兩個輸入端和一個輸出端組成，其中一個用于反轉信號的相位，另一個保持相位。 圖 1 給出了運算放大器的標準符號。忽略了電源端子。

圖1 標準放大器的符號

名稱“op amp”是運算放大器的標準縮寫。 這個名字來自放大器設計的早期，當時運算放大器用于模擬計算機。 （是的，第一臺計算機本質上是模擬的，而不是數(shù)字的）。 當基本放大器與少量外部元件一起使用時，可以執(zhí)行各種數(shù)學“運算”，例如加法、積分等。模擬計算機的主要用途之一是在二戰(zhàn)期間，當時它們被用于繪制彈道圖軌跡。

理想電壓反饋 (VFB) 模型

理想電壓反饋（VFB）運算放大器的經(jīng)典模型具有以下特點：

1. 無限輸入阻抗

2.無限帶寬

3.無限電壓增益

4. 零輸出阻抗

5. 零功耗

當然，這些都無法真正實現(xiàn)。 實際實現(xiàn)與這些理想的接近程度決定了運算放大器的質量。

這稱為電壓反饋 (VFB) 模型。 這種類型的運算放大器包括幾乎所有低于 10 MHz 帶寬的運算放大器，以及大約 90% 的帶寬較高的運算放大器。電流反饋 (CFB) 是另一種運算放大器架構，將在單獨的教程中進行討論。 圖 2 總結了理想 VFB 運算放大器的屬性。

圖2 理想電壓反饋運算放大器

理想的運算放大器屬性：

1、無限差分增益

2、零共模增益

3、零偏置電流

4、無限帶寬

運算放大器輸入屬性：

1、無限阻抗

2、零偏置電流

3、響應差分電壓

4、不響應共模電壓

運算放大器輸出屬性：

1、零阻抗

基本工作原理

理想運算放大器的基本操作很容易概括。首先，我們假設有一部分輸出被反饋到反相端，以建立放大器的固定增益。這是負反饋。運算放大器輸入端子上的任何差分電壓都會乘以放大器的開環(huán)增益，該增益對于理想運算放大器來說是無限的。如果此差分電壓的幅度在反相 (–) 端子上比在非反相 (+) 端子上更正，則輸出將擺動為負值。如果同相 (+) 端子上的差分電壓幅度比反相 (–) 端子上的差分電壓幅度更大，則輸出電壓將擺動為正。放大器的無限開環(huán)增益將試圖將差分輸入電壓強制為零。只要輸入和輸出保持在放大器的工作范圍內(nèi)，它將保持差分輸入電壓為零，輸出將是輸入電壓乘以反饋網(wǎng)絡確定的增益。值得注意的是輸出響應差模電壓而不是共模輸入電壓。

反相和非反相配置

將理想電壓反饋運算放大器配置為放大器有兩種基本方法。圖3顯示了所謂的反轉配置。在這種電路中，輸出與輸入不同步。該電路的信號增益由所用電阻器的比率決定，并由下式給出：

圖3 反相模式運算放大器級

圖4顯示了所謂的非反轉配置。使用該電路，輸出與輸入同相。電路的信號增益也由所用電阻的比率決定，由下式給出：

圖4 非反相模式運算放大器級

注意，由于輸出驅動一個分壓器（增益設置網(wǎng)絡），在反向端可用的最大電壓是全輸出電壓，當電路配置為最小增益I（RG=oo）時，還應注意，在反相和非反相配置中，反饋來自反相端子的輸出。這是一種負反饋，對設計人員有很多好處。還應注意，增益是基于電阻器的比率，而不是它們的實際值。

然而，如果電阻器的值太低，opamp輸出需要大量電流才能正常工作。這會導致運放本身的功耗過大。這有很多缺點。功耗的增加會導致芯片的自熱，從而導致運放本身的直流特性發(fā)生變化。此外，產(chǎn)生的熱量最終會導致結溫上升到150攝氏度以上，這是大多數(shù)半導體通常接受的最高極限。結溫是硅芯片本身的溫度。另一方面，如果電阻值過高，則會增加噪聲和對寄生電容的敏感性，這也會限制帶寬，并可能導致不穩(wěn)定和振蕩。從實際意義上講，低于10 Ω和高于1MΩ的電阻器更難采購，特別是在需要精密電阻器的情況下

反向運算放大器增益推導

讓我們更詳細地看看反向放大器的情況。參考圖5，非反相端子接地。我們假設一個雙極（正極和負極）電源。由于運算放大器將迫使輸入端的差分電壓為零，因此輸入端似乎也在地上。事實上，這個節(jié)點通常被稱為“虛擬地”。

圖5 反向放大器增益

如果有電壓（Vin）施加到輸入電阻器上，它將通過電阻（RG）流過電流（I1），因此：

因為理想運算放大器的輸入阻抗是無限的，所以沒有電流流入反向端輸入。因此，同樣的電流（I1）必須流過反饋電阻器（Rp）。由于放大器將迫使反相端子接地，因此輸出將假定一個電壓（VOUT），于是

可得

非反向放大器增益推導

圖6 非反向放大電路增益

現(xiàn)在我們更詳細地研究非反向情況。參考圖6，輸入電壓施加在非反相端子上。輸出電壓驅動由RF和RG組成的分壓器。兩個電阻器接合處的反相端子（VA）上的電壓等于

運算放大器的負反饋作用將迫使差分電壓為0，因此

在以上所有討論中，我們將增益設置組件稱為電阻器。事實上，它們是阻抗，而不僅僅是電阻。這使我們能夠構建依賴頻率的放大器。