运算放大器的工作原理和基本电路

什么是运算放大器？

运算放大器（Operational Amplifier，简称“运放”）是一种具有极高放大倍数的电路单元，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它的核心特性是，其输出信号可以是输入信号经过加、减、微分、积分等数学运算后的结果。由于早期主要被应用于模拟计算机中以实现数学运算，因此得名“运算放大器”。

运算放大器是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器，其电路结构包括两个输入端（反相输入端和同相输入端）和一个输出端。当在反相输入端和公共端之间施加电压时，如果电压的实际方向从反相输入端高于公共端，那么输出电压的方向则自公共端指向输出端，即两者的方向正好相反。

运放可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中，如作为电压跟随器使用，或用于直流电压的驱动或增益等。

运算放大器的工作原理

下图中的电路显示了运算放大器 U1 的符号以及运算放大器内部的简化原理图。运算放大器具有正极和负极电源连接。这提供了来自电源的电力来操作该设备。

根据应用情况，可以使用单电源或分离电源。运放有三个信号端，一个正信号输入端，一个负信号输入端，以及运放信号输出端。运算放大器由晶体管(Q1、Q2) 组成的差分输入级、电平移位器级 Q3 和输出级 (Q4、Q5) 组成。

当正电压施加到 + 输入（即 Q1 基极）和 – 输入接地时，Q3 将被激活以更好地理解这一点）。这允许电流从 Q3 的发射极流向集电极端子。结果，R3 和 R4 上将产生正电压。该电压激活 Q4，输出将呈现 +V 电压电平。

另一方面，当正电压施加到接地的 – 输入和 + 输入时。 Q3 将不会被激活，因此 Q4 将处于截止状态，但 Q5 将导通，因为它是 PNP 晶体管，并且其基极的低逻辑会激活它们。现在，输出引脚将呈现低状态，Q5 提供通过其发射极到集电极端子的电流吸收路径。

运算放大器电路结构

典型运算放大器的内部原理图如下所示：

带（-）号的端子称为反相输入端，带（+）号的端子称为同相输入端。

V+和V-电源端子分别连接至直流电压源的正端子和负端子。 V+和V−的公共端连接到参考点或地，否则两倍的电源电压可能会损坏运放。

运算放大器的参数规格

总谐波失真 (THD)： 运算放大器本身产生的噪声。通常以dB表示。

失调电压： 当施加在输入引脚之间时，将导致直流输出电压为零的直流电压。如果两个输入都接地，运算放大器的输出电压将不会为零。

转换速率： 对于给定输入，输出发生变化所需的时间。指定为 V/mS。

等效输入噪声电压： 运算放大器的噪声性能。理想电压源与代表内部生成噪声的输入引脚串联。

共模抑制比： 运算放大器抑制同时出现在两个输入上的信号的能力。对于差分放大器应用尤其重要。

运算放大器的基本电路

1、运算放大器微分器电路

这是放大器的一种类型，这种放大器的连接可以在输入和输出之间进行，并且具有非常高的增益。运算放大器微分器电路可用于模拟计算机中执行求和、乘法、减法、积分和微分等数学运算。

运算放大器电路产生与时间导数输入电压成比例的输出电压。所以这个运算放大器电路被称为微分器。

2、运算放大器积分电路

运算放大器积分器电路可以用运算放大器和反相输入端和输出端之间的电容器以及从反相i/p到电路的整个输入端的电阻器来构建 。

运算放大器的应用之一是积分器；它可以通过改变电阻和电容的位置来形成。该电路可以产生与输入电压时间积分成正比的输出电压。因此该电路被称为积分器电路。

3、运算放大器差分电路

差分电路是运算放大器中使用的最基本电路之一。下面显示的是经过修改以使用运算放大器的差分放大器电路。这构成了基本运算放大器电路，并解释了典型运算放大器 IC 的输入特性。

上面画出了电路的基本配置。提供两个晶体管Q1和Q2，其中输入被提供到两个晶体管的基极。两个晶体管发射极都连接到共发射极RE，使得两个输入信号受到其中一个或两个输入信号的影响。两个电源电压VCC和VEE连接到集电极Q1和发射极Q2。电路图中没有标明公共接地点。必须理解的是，正电压源和负电压源的相反点均接地。

当1(V1)点输入增加时，晶体管Q1的发射极电流增加，从而导致发射极电阻RE顶部的电压增加。因此，它降低了晶体管Q2的基极-发射极电压VBE。因此，当 Q2 的 VBE 降低时，晶体管 Q2 中的电流减少。这会导致集电极电阻 RC 中的压降和输出电压 VOUT 的增加，因为它是集电极电源电压 VCC 与电压降之间的差值。集电极电阻 RC (ICRC)。这使我们得出这样的结论：当输入电压 V1 增加时，输出电压也会增加。这就是为什么 V1 被视为同相输入。 Vout 与 V1 同相。

在另一时刻，当电压V2增加时，Q2的集电极电流增加，并导致集电极电阻压降，从而降低输出电压VOUT。这就是为什么 V2 被视为反相输入。 VOUT 与 V2 异相 180 度。