运算放大器

简介

运算放大器（Operational Amplifier, Op-Amp） 是一种高增益的电子电压放大器，具有两个输入端（反相输入 - 和同相输入 +）和一个输出端，常用于信号处理、电压放大、滤波、比较器等各种模拟电路中。

其名称来源于最初用于执行数学运算（如加法、减法、积分和微分）的模拟计算任务。

作用

运算放大器的主要作用包括：

1. 电压放大：放大微弱的模拟信号。

2. 信号运算：进行加法、减法、积分、微分等模拟运算。

3. 缓冲隔离：作为电压跟随器使用，防止前后级电路相互干扰。

4. 比较器功能：比较两个输入电压的大小，输出高低电平。

5. 滤波和调制：配合电容、电阻实现有源滤波器或调制解调。

工作原理

运算放大器通常工作在 负反馈 状态下，其核心工作特性包括：

1. 理想运算放大器假设（Ideal Op-Amp）：

• 输入阻抗无限大（无电流流入输入端）

• 输出阻抗为零

• 开环增益无限大（A → ∞）

• 输入电压差趋近于0（在负反馈下，+ ≈ -）

2. 负反馈工作模式：

通过在输出端回馈一部分信号到反相输入端（-），形成负反馈，使得输出稳定并实现精确的线性放大。

常见工作模式包括：

典型应用

运算放大器因其高通用性，广泛应用于：

信号处理：音频放大、传感器信号调理、电平匹配

控制系统：PID控制器、滤波器、信号积分器

测量仪器：数据采集前端、仪表放大器、差分放大

电源系统：电压检测、稳压控制、过流保护电路

消费电子：音响设备、麦克风前置放大器

典型电路图

1. 反相放大器

上图显示的电路是一个反相放大器，其非反相输入接地。两个电阻器R1和R2以这样的方式连接在电路中，即R1馈送输入信号，而R2将输出返回到反相输入。在这里，当输入信号为正时，输出将为负，反之亦然。输出相对于输入的电压变化取决于电阻器R1和R2的比率。R1选为1K，R2选为10K。如果输入接收到1伏，则将有1毫安电流通过R1，输出必须变为10。

2. 同相放大器

上面显示的电路是一个非反相放大器，此处非反相输入接收信号，而反相输入连接在R2和R1之间。当输入信号正或负移动时，输出将同相并保持反相输入端的电压与同相输入端的电压相同。在这种情况下，电压增益将始终高于1，因此是（1+R2/R1）。

3. 电压跟随器

上面的电路是一个电压跟随器。在这里它提供了高输入阻抗，低输出阻抗。当输入电压变化时，输出和反相输入将同样变化。

常见运算放大器型号