电子设计入门教程硬件篇之运算放大器（三）

前言：本文为手把手教学的电子设计入门教程硬件类的博客，该博客侧重针对电子设计中常用的运算放大器进行介绍。本篇博客将根据电子设计实战过程中运算放大器的使用规则进行介绍，并讲述了几种常见的运算放大电路，包括：同相放大电路、反相放大电路、加法器、减法器与差分放大电路。电子设计中常见的运算放大器是嵌入式工程师工作中经常接触的元器件，希望这篇博文能给读者朋友的工程项目给予些许帮助，Respect！

一、运算放大器概述

1.1 运算放大器介绍

运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种电子放大器，它具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，增益极高，通常用于信号处理电路中，如放大、滤波、信号转换等。运算放大器有两个输入端，分别是同相输入端（正输入端）和反相输入端（负输入端），以及一个输出端。

在上古时期，人类使用电子管来放大信号；在象牙塔小组研究出晶体管（三极管）后，半导体器件迅速发展，出现了半导体收音机，电路体积大大缩小。1963年美国仙童半导体公司发明 uA 系列运放，其中的 uA741 运放仍然被现在的大学模电教学实验室使用著名的半导体公司有：仙童、TI（德州仪器）、ADI 等，都是硅谷巨头。

运算放大器的应用：

1、放大器：最基本的应用，通过在反相和同相输入端之间连接电阻，可以形成一个放大器电路。

2、滤波器：可以通过与电阻和电容组合，形成低通、高通、带通或带阻滤波器。

3、积分器和微分器：运算放大器可以与电阻和电容结合，形成积分电路和微分电路，用于信号处理。

4、模拟信号运算：可以进行加减乘除等模拟信号运算。比较器：当用作比较器时，运算放大器会根据输入电压的高低来改变输出电压的高低。

运算放大器在模拟电子技术中扮演着重要的角色，广泛应用于工业、医疗、通信和消费电子等领域。在设计和应用运算放大器时，需要考虑实际电路的非理想特性，如带宽、噪声、温度漂移和共模抑制比等。

1.2 运算放大器开环增益

运算放大器因为它使用方便，电路结构简单，可控性好，所以各位读者朋友是必须要掌握的！

开环增益是指：运放输出端的电压与运放两个输入端之间电位差的比值，即：Uo/（Up-Un）.

运放的开环增益 直接影响用运放通过负反馈构成实际的放大器 后其放大倍数的精度。

运放的开环增益一般可达到100dB以上（105），有的运放甚至高达160dB（108）。
但是 运放的开环增益与工作频率（输入信号频率）有关。频率越高，开环增益越低 。如图所示。

所以，需要根据实际工作频率确定运放的增益，以确定放大器的增益精度，但是高的开环增益依然有利于低频或直流情况下的精度。

1.3 运算放大器使用

运算放大器(运放)用于调节与放大模拟信号，运放是一个内含多级放大电路的集成器件，如图所示：

左图为同相位，Vn端接地或稳定的电平，Vp端电平上升，则输出端Vo电平上升，Vp端电平下降，则输出端Vo电平下降；右图为反相位，Vp端接地或稳定的电平，Vn端电平上升，则输出端Vo电平下降，Vn端电平下降，则输出端Vo电平上升

虚短和虚断

虚短： 集成运算放大器的开环放大倍数很大，一般通用型的运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上，但是运放的输出电压是有限制的，一般在10V～14V，然而运放的差模输入电压不足1 mV，因此可以输入两端可以近似等电位，就相当于短路。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等，这种特性称之为虚短

虚断： 集成运算放大器具有输入高阻抗的特性，一般同向输入端和反向输入端的输入电阻都在1MΩ以上，所以输入端流入运放的电流往往小于1uA，远小于输入端外电路的电流。所以这里通常可把运放的两输入端视为开路，并且运放的输入电阻越大，同向和反向输入两端越接近开路。在运放处于线性状态时，根据这个特性可以把两输入端视为等效开路，简称虚断

工作在非线性状态的集成运算放大器具有以下特点：

当同相输入端电压大于反向输入端电压时，输出电压为高电平
当同相输入端电压小于反向输入端电压时，输出电压为低电平