在電子學(xué)里，運(yùn)算放大器(有時(shí)也叫信號(hào)放大器和電壓放大電路)，是一個(gè)由輸入、輸出電阻和電抗器構(gòu)成的多級(jí)放大器。

它通常是由兩個(gè)或更多個(gè)具有相同增益的并聯(lián)電路組成的。

在直流工作狀態(tài)時(shí)，這些電阻網(wǎng)絡(luò)將輸入電流轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的輸出電壓。

當(dāng)交流信號(hào)通過(guò)時(shí)，這些電阻網(wǎng)絡(luò)將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的直流電壓。

在開(kāi)關(guān)電源中，一個(gè)典型的運(yùn)算放大器由四組的高頻變壓器組成。每組高頻變壓器包含兩個(gè)相同的二端器件。每個(gè)二端器件都連接著一個(gè)三端穩(wěn)壓電源。

為了提高效率，許多現(xiàn)代運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)包括三個(gè)的開(kāi)關(guān)管。

除了作為功率源外，它們還用于控制其他電路。

由于大多數(shù)現(xiàn)代電子產(chǎn)品都是使用集成運(yùn)放的，所以這里主要討論的是集成運(yùn)放的工作原理。

1、單極型雙極型運(yùn)放 單極型雙極型運(yùn)放在其應(yīng)用中占主導(dǎo)。

2、互補(bǔ)推挽式運(yùn)放 互補(bǔ)推挽式運(yùn)放是一種常用的模擬集成電路。

3、差動(dòng)式 差動(dòng)式是兩種基本類(lèi)型的組合。

4、復(fù)合 復(fù)合是在上述三種基本類(lèi)型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

5、其它 諸如負(fù)反饋等其它技術(shù)也已被引入到各種不同的模擬系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)更高的性能。

運(yùn)放，全稱為運(yùn)算放大器，是一種廣泛應(yīng)用于模擬電路和數(shù)字電路中的非線性集成電路。它的主要功能是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理，同時(shí)具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、寬帶寬等特點(diǎn)。運(yùn)放在電子電路中起著至關(guān)重要的作用，是許多電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本文將對(duì)運(yùn)放的工作原理、虛短與虛斷進(jìn)行詳細(xì)解析。

一、運(yùn)放的工作原理

運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)包括一個(gè)差分輸入級(jí)、一個(gè)增益級(jí)和一個(gè)輸出級(jí)。差分輸入級(jí)的主要作用是將輸入信號(hào)進(jìn)行差分放大，增益級(jí)則對(duì)差分放大后的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，輸出級(jí)將放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出。運(yùn)放的工作過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階段：

差分輸入級(jí)：運(yùn)放有兩個(gè)輸入端，分別為正輸入端(+)和負(fù)輸入端(-)。當(dāng)輸入信號(hào)加在這兩個(gè)端口時(shí)，差分輸入級(jí)的晶體管會(huì)對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行差分放大。由于差分放大的特性，運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力，只對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大。

增益級(jí)：差分放大后的信號(hào)進(jìn)入增益級(jí)，增益級(jí)由多個(gè)晶體管組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的進(jìn)一步放大。增益級(jí)的設(shè)計(jì)決定了運(yùn)放的放大倍數(shù)，通常用增益帶寬積(GBW)來(lái)衡量。增益帶寬積越大，運(yùn)放的頻帶寬度越寬，性能越好。

輸出級(jí)：放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出級(jí)轉(zhuǎn)換為單端輸出。輸出級(jí)通常采用推挽式輸出或源極跟隨式輸出結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高輸出阻抗和低輸出阻抗的轉(zhuǎn)換。輸出級(jí)的設(shè)計(jì)和選擇對(duì)運(yùn)放的性能有很大影響。

二、虛短與虛斷

在運(yùn)放工作過(guò)程中，存在兩個(gè)重要的概念：虛短和虛斷。這兩個(gè)概念是分析運(yùn)放電路的關(guān)鍵，有助于簡(jiǎn)化運(yùn)放電路的分析過(guò)程。

虛短：虛短是指運(yùn)放的正輸入端和負(fù)輸入端之間的電壓近似為0。這是因?yàn)檫\(yùn)放的差分輸入級(jí)具有很高的輸入阻抗，使得兩個(gè)輸入端的電流非常小，因此電壓降也非常小。在運(yùn)放工作過(guò)程中，虛短是一個(gè)基本假設(shè)，有助于簡(jiǎn)化運(yùn)放電路的分析過(guò)程。

虛斷：虛斷是指運(yùn)放的輸入端口與地之間的電阻近似為無(wú)窮大。這是因?yàn)檫\(yùn)放的差分輸入級(jí)具有很高的輸入阻抗，使得輸入端口與地之間的電流非常小，因此電阻非常大。在運(yùn)放工作過(guò)程中，虛斷是一個(gè)基本假設(shè)，有助于簡(jiǎn)化運(yùn)放電路的分析過(guò)程。

三、虛短與虛斷的應(yīng)用

虛短和虛斷是分析運(yùn)放電路的重要工具，可以幫助我們快速理解運(yùn)放電路的工作原理。以下是虛短和虛斷在運(yùn)放電路分析中的應(yīng)用實(shí)例：

1.反相放大器：反相放大器是運(yùn)放最基本的應(yīng)用之一，其電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。在反相放大器中，輸入信號(hào)通過(guò)電阻連接到運(yùn)放的負(fù)輸入端，輸出信號(hào)通過(guò)電阻連接到運(yùn)放的負(fù)輸入端。根據(jù)虛短和虛斷的概念，我們可以得出以下結(jié)論：

(1)由于虛短的存在，運(yùn)放的正輸入端和負(fù)輸入端之間的電壓近似為0，因此輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相反;

(2)由于虛斷的存在，運(yùn)放的輸入端口與地之間的電阻近似為無(wú)窮大，因此輸入信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的影響非常小;

(3)由于運(yùn)放的高增益特性，反相放大器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的放大處理。

2.非反相放大器：非反相放大器是另一種常見(jiàn)的運(yùn)放應(yīng)用電路。在非反相放大器中，輸入信號(hào)通過(guò)電阻連接到運(yùn)放的正輸入端和負(fù)輸入端，輸出信號(hào)通過(guò)電阻連接到運(yùn)放的正輸入端。根據(jù)虛短和虛斷的概念，我們可以得出以下結(jié)論：

(1)由于虛短的存在，運(yùn)放的正輸入端和負(fù)輸入端之間的電壓近似為0，因此輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相同;

(2)由于虛斷的存在，運(yùn)放的輸入端口與地之間的電阻近似為無(wú)窮大，因此輸入信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的影響非常小;

(3)由于運(yùn)放的高增益特性，非反相放大器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的放大處理。

總之，運(yùn)放是一種非常重要的電子器件，廣泛應(yīng)用于各種模擬電路和數(shù)字電路中。了解運(yùn)放的工作原理、虛短與虛斷的概念及其應(yīng)用，對(duì)于分析和設(shè)計(jì)運(yùn)放電路具有重要意義。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)放的性能將會(huì)越來(lái)越優(yōu)越，應(yīng)用領(lǐng)域也將會(huì)更加廣泛。

運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱運(yùn)放，由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。主要是用在模擬電路中，比如放大器、比較器、模擬運(yùn)算器，是電子工程師經(jīng)常要用到的器件。運(yùn)算放大器是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號(hào)可以是輸入信號(hào)加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。

而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類(lèi)繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。要想更好用好運(yùn)放，透徹地了解運(yùn)算放大器工作原理是必須的。

一、運(yùn)算放大器工作原理是什么?

運(yùn)算放大器(Operational Amplifier,簡(jiǎn)稱OP、OPA、OPAMP)是一種直流耦合﹐差模(差動(dòng)模式)輸入、通常為單端輸出(Differential-in, single-ended output)的高增益(gain)電壓放大器，因?yàn)閯傞_(kāi)始主要用于加法，乘法等運(yùn)算電路中，因而得名。一個(gè)理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性：無(wú)限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無(wú)限大的開(kāi)回路增益、無(wú)限大的共模排斥比的部分、無(wú)限大的頻寬。最基本的運(yùn)算放大器如圖1-1。一個(gè)運(yùn)算放大器模組一般包括一個(gè)正輸入端(OP_P)、一個(gè)負(fù)輸入端(OP_N)和一個(gè)輸出端(OP_O)。

運(yùn)算放大器工作原理

最基本的運(yùn)算放大器

通常使用運(yùn)算放大器時(shí)，會(huì)將其輸出端與其反相輸入端(inverting input node)連接，形成一負(fù)反饋(negative feedback)組態(tài)。原因是運(yùn)算放大器的電壓增益非常大，范圍從數(shù)百至數(shù)萬(wàn)倍不等，使用負(fù)反饋方可保證電路的穩(wěn)定運(yùn)作。但是這并不代表運(yùn)算放大器不能連接成正回饋(positive feedback)，相反地，在很多需要產(chǎn)生震蕩訊號(hào)的系統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運(yùn)算放大器是很常見(jiàn)的組成元件。

運(yùn)算放大器工作原理

圖1-2開(kāi)環(huán)回路運(yùn)算放大器

開(kāi)環(huán)回路運(yùn)算放大器如圖1-2，當(dāng)一個(gè)理想運(yùn)算放大器采用開(kāi)回路的方式工作時(shí)，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下： Vout = ( V+ -V-) * Aog 其中Aog代表運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路差動(dòng)增益(open-loop differential gai由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路增益非常高，因此就算輸入端的差動(dòng)訊號(hào)很小，仍然會(huì)讓輸出訊號(hào)「飽和」(saturation)，導(dǎo)致非線性的失真出現(xiàn)。因此運(yùn)算放大器很少以開(kāi)環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中，少數(shù)的例外是用運(yùn)算放大器做比較器(comparator)，比較器的輸出通常為邏輯準(zhǔn)位元的「0」與「1」。

閉環(huán)負(fù)反饋

將運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電路就處在負(fù)反饋組態(tài)的狀況，此時(shí)通?？梢詫㈦娐泛?jiǎn)單地稱為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號(hào)進(jìn)入放大器的端點(diǎn)，又可分為反相(inverting)放大器與非反相(non-inverting)放大器兩種。 反相閉環(huán)放大器如圖1-3。假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端為虛接地(virtual ground)，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下： Vout = -(Rf / Rin) * Vin

運(yùn)算放大器工作原理什么非反相閉環(huán)放大器如圖1-4。假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端電壓差幾乎為零，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下： Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin

圖1-4非反相閉環(huán)放大器

閉環(huán)正回饋

將運(yùn)算放大器的正向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電路就處在正回饋的狀況，由于正回饋組態(tài)工作于一極不穩(wěn)定的狀態(tài)，多應(yīng)用于需要產(chǎn)生震蕩訊號(hào)的應(yīng)用中。