集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier，简称集成运放或Op-Amp）是一种高增益、直接耦合的模拟集成电路，广泛用于信号放大、滤波、运算、比较等电子电路中。其核心功能是将差分输入电压放大为单端输出电压，并具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性。

一、基本结构与符号

1. 符号表示
   集成运放的电路符号为一个三角形，包含两个输入端（同相输入端“+”和反相输入端“-”）和一个输出端，通常需要外接正负电源供电（±Vcc）。

        +Vcc
         |
         | 
   (+) --| \     --> 输出端
         |  )---
   (-) --| /
         |
        -Vcc

2. 内部结构
   典型集成运放由多级放大电路组成：

   • 输入级：差分放大器，抑制共模信号，放大差模信号。
   • 中间级：高增益电压放大，常采用共射或共源结构。
   • 输出级：互补推挽电路，提供低输出阻抗和大电流驱动能力。
   • 偏置电路：为各级提供静态工作点。

二、理想运放模型

分析运放时，通常先假设其为理想状态，满足以下条件：

1. 开环增益（Aol）无限大：( V{out} = A{ol}(V+ - V-) )，实际值约为 ( 10^5 \sim 10^6 )。
2. 输入阻抗无限大：输入端不吸收电流（( I+ = I- = 0 )）。
3. 输出阻抗为零：输出电压不受负载影响。
4. 带宽无限宽：无频率限制（实际受增益带宽积限制）。
5. 无失调电压和噪声：输入为零时输出为零。

三、核心特性与工作状态

1. 虚短与虚断

   • 虚短：负反馈条件下，( V+ ≈ V- )（因开环增益极大，微小压差即可饱和输出）。
   • 虚断：输入端电流 ( I+ ≈ I- ≈ 0 )。

2. 工作状态

   • 线性区：需引入负反馈，输出与输入成线性关系。
   • 非线性区（饱和区）：开环或正反馈时，输出为电源电压（±Vcc）。

四、典型应用电路

1. 反相放大器

   • 公式：( V_{out} = -\frac{R_f}{R1} V{in} )
   • 特点：输入与输出反相，增益由外部电阻决定。

2. 同相放大器

   • 公式：( V_{out} = \left(1 + \frac{R_f}{R1}\right) V{in} )
   • 特点：输入与输出同相，输入阻抗极高。

3. 电压跟随器

   • 电路：输出直接反馈到反相输入端。
   • 特点：增益为1，用于阻抗匹配。

4. 加法器/积分器/比较器

   • 加法器：实现多信号加权求和。
   • 积分器：输出为输入电压的积分。
   • 比较器：开环工作，输出高/低电平。

五、分类与技术参数

1. 按性能分类

   • 通用型（如LM741）：中等带宽和精度。
   • 高速型：带宽达百MHz以上（如AD811）。
   • 低功耗型：静态电流μA级（如LMC6482）。
   • 精密型：低失调、低温漂（如OPA2188）。

2. 关键参数

   • 增益带宽积（GBW）：开环增益与带宽的乘积。
   • 压摆率（Slew Rate）：输出变化速率（V/μs）。
   • 输入失调电压：零输入时的输出电压偏移。
   • 共模抑制比（CMRR）：抑制共模信号的能力。

六、设计注意事项

1. 电源电压范围：避免超过额定值。
2. 输入/输出摆幅：受限于电源电压（“轨到轨”运放可接近电源电压）。
3. 稳定性：需通过补偿电容避免自激振荡。
4. 热噪声与1/f噪声：高频和低频应用需针对性选型。

七、总结

集成运放是模拟电路设计的核心器件，其灵活性和高可靠性使其广泛应用于传感器信号调理、音频处理、控制系统等领域。理解其理想模型与实际限制是设计高效电路的关键，同时需根据具体需求（速度、精度、功耗）选择合适的型号。