运算放大器原理，集成运算放大器原理
运算放大器原理
运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的 输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的运算放大器如图1-1。一个运算放大器模组一般包括 一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。
通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能 连接成正回馈（positive feedback），相反地，在很多需要产生震荡讯号的系统中，正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。
开环回路运算放大器如图1-2。当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时，其输出与输入电压的关系式如下：
Vout = ( V+ -V-) * Aog
其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益 （open-loop differential gai由于运算放大器的开环回路增益非常高，因此就算输入端的差动讯号很小，仍然会让输出讯号「饱和」（saturation），导致非线性的失真出现。因此运算放大器很少以开 环回路出现在电路系统中，少数的例外是用运算放大器做比较器（comparator），比较器的输出通常为逻辑准位元的「0」与「1」。
闭 环负反馈
将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器 依据输入讯号进入放大器的端点，又可分为反相（inverting）放大器与非反相（non-inverting）放大器两种。
反相闭环放大器 如图1-3。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端为虚接地（virtual ground），其输出与输入电压的关系式如下：
Vout = -(Rf / Rin) * Vin
图1-3反相闭环放大器
非反相闭环放大器如图1-4。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端电压差几 乎为零，其输出与输入电压的关系式如下：
Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin
图1-4非反相闭环放大器
集成运算放大器原理
由于运算放大器的增益极高，所以不能在两输入端之间加上输入信号，而一定要用作反馈放大器。这种运算放大器基本上可分为图 2 － 9 所示的非倒相放大电路和图 2 － 10 所示的倒相放大电路两类。
(a) 非倒相放大电路
首先，我们来讨论非倒相放大电路。设 IN+ 端和 IN －端的电压分别为 
和 
，并认为运算放大器的增益无限大，则为要获得有限的输出电压，则 
= 
。这点则是运算放大器工作中的一大特征。在此前提下，分析电路工作就能变得十分简单。根据此特征，输入 与输出的关系为：
(b) 倒相放大电路
下面我们来分析倒相放大电路。 
= 
，这点是与非倒相放大电路情况相同的， 所以 
=0V 。这样，尽管有输入信号，然而 
端处为 0V 。恰似接地，所以被叫做假想接地。于是，若讨论流经 
、 
的电流 I ，由于运算放大器的输入电流为 0 ，则
据此，可得出输入与输出的关系
可见，非倒相放大器和倒相放大电路，是从对应于输入，其输出是否倒向这一事实出发而得名的。
(c) 差分放大电路
如图 2 － 11 所示，可将两个这种放大电路组合成差分放大电路。 
端的电压 
由 
和 
分压而得
流经 
和 
的电流 I 为
由上述两式可得
其中，如设 
＝ 
， 
＝ 
，则
即差分放大器能够获得 
和 
之差成正比的输出。
实际的运算放大器
以上所述是均是理想的运算放大器的情况。实际上，运算放大器的增益不可能无限大，有电流向 
、 
端子流入（或流出），并且其电流不一定相等。即使在无信号时， 
、 
之间也有一定的电压。
(a) 输入偏置电流(
)的影响
如果运算放大器的输入级由晶体管构成，要使电路能正常工作，应有偏置电流（基极电流）流过。该输入偏置电流流经反馈电阻时，会产生压降，从而造成输 出误差。
在图 2 － 12 电路中，尽管无输入，但是在输出端也会出现位移电压 
。此 
为： 
由于 
，设 
＝ 
// 
( 
与 
并联的值 ) ，则 
＝ 0 ，输入偏流的影响消失。并且，采取 C 耦合，将电容器与 
串连时，若设 
，则 
＝ 0 。
对于采用场效应管构成输入级的运算放大器，由于输入偏流几乎可以忽略不计，不必产生过去的顾虑。但是，由于采用场效应管输入的运算放大器来讲，如果 温度上升 10 摄氏度 ，则输入偏流将增高两倍，因此，这种运算放大器必须避免在高温情况下使用。
(b) 输入位移电流（ 
）的影响
在前项中，设 
端、 
端的输入偏流 
、 
相等，但实际上二者之间多少有些不同， 
与 
之差被叫做输入位移电流。
当设定常数，而使输入偏流不致产生影响时，因输入位移电流 
所造成的输出位移电压 
为： 
＝ 
. 
它与 
与 
无关，于是对于通过双极型输入运算放大器来讲， 
的上限值为 100 
，希望 
值更大时，应使用场效应管输入运算放大器。
