【详解】运算放大器工作原理及其在信号处理中的核心作用

什么是运算放大器

运算放大器（简称“运放”）是一种放大倍数非常高的电路单元。在实际电路中，它常常与反馈网络一起组成一定的功能模块。它是一种带有特殊耦合电路和反馈的放大器。输出信号可以是输入信号的加法、减法、微分和积分等数学运算的结果。由于早期用于模拟计算机中实现数学运算，故被命名为“运算放大器”。运算放大器是从功能角度命名的电路单元，可以用分立器件实现，也可以在半导体芯片中实现。随着半导体技术的发展，大多数运算放大器以单芯片的形式存在。运算放大器的种类很多，广泛应用于电子行业。#运算放大器的电路符号#如图1所示。它包括两个输入引脚，同相输入端Vin（+）和反相输入端Vin（-），以及输出引脚Vout。

运算放大器电路符号

运算放大器的特点

(1)集成运算放大器采用直接耦合放大电路，既可以放大直流信号，也可以放大交流信号。

(2)为了克服零漂移现象，提高共模抑制比，输入端采用差分放大电路和恒流源供电。

(3)采用复合管来增加电路的增益。

(4)电路中的无源器件大部分被有源器件取代。

(5) 总结三个最重要的特性是 1. 高输入阻抗； 2、电压增益高； 3.输出阻抗低。

（本文素材来源：https://www.icdhs.com/news/585）

运算放大器作用及工作原理

运算放大器是一种具有极高增益和线性度的直流耦合放大器，它的基本作用是对输入信号进行放大，并且在理想情况下，它具有以下特性：

1. 高增益：运算放大器能够提供非常高的电压增益，即输出与输入之间的电压比值很大，通常是几千到几十万。

2. 差分输入：有两个输入端，一个同相输入端（+）和一个反相输入端（-），它们对输入信号的微小变化非常敏感，且希望两个输入端的电压差尽可能为零，即所谓的“虚短”（virtual short）。

3. 低漂移：内部电路设计使得温度变化或时间推移引起的偏移电压非常小，从而保证了长时间和不同环境下的稳定性。

4. 深度负反馈：通过外部电路连接可以引入负反馈，使运放的实际工作状态接近理想的线性区，提高精度和稳定性，同时可以根据需要配置成各种功能，如放大、加法、减法、积分、微分等运算电路。

工作原理：

• 在没有外部反馈的情况下，运算放大器试图使其两个输入端的电压相等。当连接负反馈后，运放会调整其输出，以便保持输入端的电压差不变。通过不同的反馈网络设计，运放能实现不同的功能。

• 当输入信号施加到运放的输入端时，运放根据其内部的高增益放大这个微小的电压差，并将放大后的信号输出。在深度负反馈条件下，运放的行为往往取决于反馈网络，而不是其本身的开环增益。

• 例如，在反相放大配置中，运放的输出会与反相输入端信号相反，并按一定的比例放大；而在非反相放大配置中，输出则与同相输入端信号相同，同样按比例放大。

运算放大器的核心作用在于通过灵活运用负反馈技术来精确地处理电信号，广泛用于信号调理、滤波、信号比较、模拟计算等多种电子电路系统中。

运算放大器基本电路

(1)反相放大电路

如图2所示，反相放大器电路具有放大输入信号和反相输出的功能。 “倒”是指正负号颠倒了。该放大器采用负反馈技术。所谓负反馈，就是将输出信号的一部分返回到输入端。图2所示电路中，输出Vout经Rf连接（返回）至反相输入端（-）的连接方式为负反馈。运算放大器具有以下特点。当输出端不加电源电压时，同相输入端（+）和反相输入端（-）被认为施加了相同的电压，也就是说，可以将其视为一个虚拟短路。因此，当正输入端（+）为0V时，A点电压也为0V。根据欧姆定律，可得出流过Rin的电流：Iin=Vin/Rin。

反相放大电路

另外，运算放大器的输入阻抗极高，反相输入端（-）基本没有电流。因此，当Iin经A点流向Rf时，Iin和If的电流基本相等。根据上述条件，对Rf运用欧姆定律，可得Vout=-Iin×Rf。 I1 为负，因为 If 从电压为 0V 的 A 点流出。从另一个角度来看，当反相输入端（-）的输入电压升高时，输出会在负方向上发生很大的反相放大。由于负方向的输出电压通过Rf连接至反相输入端，因此反相输入端(-)的电压上升将被阻挡。反相输入端和同相输入端电压均变为0V，输出电压稳定。

然后我们利用该放大器电路中的输入和输出之间的关系来计算增益。增益为Vout与Vin的比值，即Vout/Vin=(-Iin×Rf)/(Iin×Rin)=-Rf/Rin。 

要特别注意这个公式，增益仅由Rin和Rf的电阻比决定。换句话说，我们可以通过改变电阻来轻松改变增益。将负反馈应用于高增益的运算放大器，通过调整电阻值，可以获得所需的增益电路。

(2)同相放大电路

与反相放大器电路相反，图3所示的电路称为非反相放大器电路。与反相放大电路最大的区别在于，在同相放大电路中，输入波形和输出波形的相位相同，输入信号加在同相输入端（+）上。与反相放大器电路一样，这两个电路都使用负反馈。

我们来看看这个电路的工作过程。首先，通过虚拟短路，正极输入端（+）和负极输入端（-）的电压均为Vin，即A点电压为Vin。根据欧姆定律，Vin=Rin×Iin。另外，运算放大器的两个输入端基本没有电流，所以Iin=If。 Vout为Rin和Rf电压之和，即Vout=Rf×If+Rin×Iin。将上式整理即可得到增益G，即G=Vout/Vin=(1+Rf/Rin)。

同相放大器电路

选择合适运算放大器的注意事项

1.工作电压范围

选择能够满足您所需工作电压范围的运算放大器。该信息可以通过查看放大器的电源电压来获得。电源电压可以是VDD(+)和地(单电源)，或者放大器可以同时支持正电源和负电源。如果输出需要支持负电压，则需要负电源。

2.英镑

考虑放大器的英镑。如果您的应用需要支持更高的频率或需要更高的性能和更低的失真，请考虑使用更高 GBP 的运算放大器。

3、功耗

功耗是另一个需要考虑的因素，因为某些应用可能需要低功耗运行。推荐的功率要求通常可以在设备的数据表中找到，通常列为电源电流和功耗。功耗也可以根据电源电流和电源电压的乘积来估算。一般来说，供电电流越低的运算放大器，GBP就越低，当然电路性能也就越差。对于精度要求较高的应用，设计人员应特别注意放大器的输入失调电压，因为该电压会导致放大器的输出电压发生偏移。