運算放大器

運算放大器（或運放 ）是一種古老的器件。較早的運放用在早期模擬計算機的真空管電路中。運算放大器是一種高增益直流耦合差分放大器。運放原理圖符號分別使用+和-表示同相和反相輸入，而非輸入電壓的極性。

作為差分放大器，運放的輸出是輸入之間差異的放大。也就是說，如果同相（+）輸入高于反相（-）輸入，則運放的輸出為正。如果反相輸入高于同相輸入，則運放的輸出為負。

現代的運放通常用雙極性電源供電，一般為+/–15 V直流，但是有的運放也可以在單極性電源下工作。+/–直流電源的使用允許運放在對輸入響應時將輸出從-轉為+。

德州儀器提供《運算放大器應用手冊》的下載版本（http://www.ti.com/lit/an/sboa092a/sboa092a.pdf ），亞德諾公司提供免費的《運放基礎》使用手冊（http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/39-05/web_ch1_final_r.pdf ）。

A.8.1　基本的運放電路

反饋用來設置運放電路的總增益。如果沒有反饋，高增益運放就會對輸入產生劇烈的響應，在輸入存在微小差分的情況下，輸出可能是滿正或滿負。因此，運放很少應用在沒有反饋網絡的條件下。

運放電路可能與原輸入反相或同相。圖A-56展示了一個簡單的反相運放電路（如果你想自己搭一個，你可以使用741號運放或類似的器件）。

圖 A-56　簡單的反相運放電路

圖A-56中的運放電路的基本原理很簡單：運放利用本身的輸出使輸入信號之間的差異縮小到0 V。由于輸出是通過R 2 耦合到輸入上的，因此輸出電壓從R 1 和R 2 的連接點（叫作求和點 ）上測得，要與R 1 兩端的輸入電壓相加。計算R 1 和R 2 阻值的公式很簡單，如下：

增益

相當于

因此，電路的電壓增益就是輸出與輸入之比，是由R 2 和R 1 的比值確定的。R 2 前面的符號不代表負的阻值，而是意味著放大器為反相。

如果我們需要增益為4的直流放大器，以用來提高傳感器的信號電平或將電路的輸出與其他接口匹配，那么我們就需要為R 1 選擇一個阻值，并求解增益為4時的R 2 阻值。在圖A-57中，R 1 的值設為10 kΩ，因此R 2 的值應為40 kΩ。

圖 A-57　反相運放電路，增益為4

由于反相輸入電壓通常很�。ń拥兀�，因此B 點的電壓為零。如果A 點變為正，則輸出將變為負，以使A 點的電壓之和保持為零，從而形成反相。另一種效果是A 點可以看作虛擬地，因為運放的輸出總會嘗試與反相輸入匹配。

運放電路的輸出阻抗通常只有幾分之一歐姆。反相放大器的輸入阻抗取決于R 1 的值。有些情況下，R 1 的值可能很小，從而會引起阻抗匹配和輸入負載問題。圖A-58中的非反相運放電路解決了這個問題。

圖 A-58　簡單的非反相運放電路

注意，圖A-58中，反相輸入是由R 1 和R 2 組成的分壓器提供的。計算R 1 和R 2 阻值的公式有略微變動：

增益

由于運放被設計成直流放大器，因此若要處理交流信號，并且輸入或輸出端沒有直流偏置，就需要用到耦合電容，它們在前面的A.6.1節中敘述過。