運算放大器是一種可以進行數(shù)學(xué)運算的放大電路。運算放大器不僅可以通過增大或減小模擬輸入信號來實 現(xiàn)放大，還可以進行加減法以及微積分等運算。所以，運算放大器是一種用途廣泛，又便于使用的集成電路。

圖1：運算放大器的電路符號

如圖1所示，運算放大器的電路符號同相輸入端Vin（+）和反相輸入端Vin（－）兩個輸入引腳，以及一個輸出引腳Vout。實際上運算放大器還有電源引腳（+電源、－電源）和偏移輸入引腳等在電路符號上沒有表示出來。

運算放大器的主要功能是放大兩輸入端之間的差模信號，抑制共模信號。當(dāng)信號從Vin（+）輸入，且負(fù)反饋接至Vin（-），輸出得到同相放大的結(jié)果 。當(dāng)信號從Vin（－）輸入，且負(fù)反饋任接在Vin（-）時，輸出得到反相放大的結(jié)果。此外，運算放大器還具有輸入阻抗極大和輸出阻抗極小的特征。

下面讓我們來看下使用了上述負(fù)反饋的放大器電路。

運算放大器的基本電路 — 反相放大器電路

如圖2所示，反相放大器電路具有放大輸入信號并反相輸出的功能?！胺聪唷钡囊馑际钦?、符號顛倒。這個放大器應(yīng)用了負(fù)反饋技術(shù)。所謂負(fù)反饋，即將輸出信號的一部分返回到輸入，在圖2所示電路中，象把輸出Vout經(jīng)由R2連接（返回）到反相輸入端（－）的連接方法就是負(fù)反饋。

我們來看一下這個反相放大器電路的工作過程。運算放大器具有以下特點，當(dāng)輸出端不加電源電壓時，同相輸入端（+）和反相輸入端（－）被認(rèn)為施加了相同的電壓，也就是說可以認(rèn)為是虛短路。所以，當(dāng)同相輸入端（+）為0V時，A點的電壓也為0V。根據(jù)歐姆定律，可以得出經(jīng)過R1的I1=Vin/R1。

圖2：反相放大器電路

另外，運算放大器的輸入阻抗極高，反相輸入端（－）中基本上沒有電流。因此，當(dāng)I1經(jīng)由A點流向R2時，I1和I2電流基本相等。由以上條件，對 R2使用歐姆定律，則得出Vout=－I1×R2。I1為負(fù)是因為I2從電壓為0V的點A流出。換一個角度來 看，當(dāng)反相輸入端（－）的輸入電壓上升時，輸出會被反相，向負(fù)方向大幅度放大。由于這個負(fù)方向的輸出電壓經(jīng)由R2與反相輸入端相連，因此，會使反相輸入端（－）的電壓上升受阻。反相輸入端和同相輸入端電壓都變?yōu)?V，輸出電壓穩(wěn)定。

那么我們通過這個放大器電路中輸入與輸出的關(guān)系來計算一下增益。增益是Vout和Vin的比，即Vout/Vin=（－I1×R2）/（I1×R1）=－R2/R1。所得增益為－表示波形反向。

在這個算公式中需要特別注意的地方是，增益僅由R1和R2電阻比決定。也就是說。我們可以通過改變電阻容易地改變增益。在具有高增益的運算放大器上應(yīng)用負(fù)反饋，通過調(diào)整電阻值，就可以得到期望的增益電路。

運算放大器的基本電路 — 同相放大器電路

與反相放大器電路相對， 圖3所示電路叫做同相放大器電路。與反相放大器電路最大的不同是，在同相放大器電路中，輸入波形和輸出波形的相位是相同的，以及輸入信號是加在同相輸入端（+）。與反相放大器電路相同的是，兩個電路都利用了負(fù)反饋。

我們來看一下這個電路的工作過程。首先，通過虛短路，同相輸入端（+）和反相輸入端 （－）的電壓都是Vin，即點A電壓為Vin。根據(jù)歐姆定律，Vin=R1×I1。另外，運算放大器的兩個輸入端上基本沒有電流，所以 I1=I2。而Vout為R1與R2電壓的和，即Vout=R2×I2+R1×I1。整理以上公式可得到增益G，即G=Vout/Vin=（1+R2/R1）。

圖3：同相放大器電路

如果去掉這個電路中的R1，將R2電阻變?yōu)?Ω 或者短路，則電路變?yōu)樵鲆鏋?的電壓跟隨器。這種電路常用于阻抗變換和緩沖器中。

輸入值的判定 — 比較器

Comparator，中文翻譯為比較器，比較兩個電壓的大小，然后輸出邏輯高或邏輯低。比較器常常用于檢測輸入是否達(dá)到規(guī)定值。也可以用運算放大器來代替比較器，但一般情況下建議使用專用的比較器IC（關(guān)于運算放大器用作比較器的應(yīng)用差異參考以往專刊介紹）。比較器和運算放大器使用相同電路符號。

比較器電路如圖4所示。我們來看一下這個電路的工作過程。首先應(yīng)該注意，這個電路中沒有正反饋也沒有負(fù)反饋。放大Vin和VREF的差值，從Vout輸出。例如，Vin大于VREF時，放大輸出的Vout上升至+側(cè)的電源電壓，達(dá)到飽和。Vin小于VREF時，輸出Vout下降至－側(cè)電源電壓達(dá)到飽和。

通過這個動作，Vin和VREF的比較結(jié)果在Vout上輸出。

實際應(yīng)用中，一般是圖4電路上產(chǎn)生滯后（用于防止錯誤動作的電壓領(lǐng)域），如圖5，Vin會產(chǎn)生一些噪波，但仍可穩(wěn)定動作。

圖4：比較器電路

圖5：有滯回效應(yīng)的比較器電路

利用正反饋的諧振電路

負(fù)反饋系統(tǒng)中，從輸出返到輸入的信號越大，則輸出越小。于此相反，正反饋中，從輸出返到輸入的 信號越大，則輸入越大。當(dāng)正反饋系統(tǒng)中增益大于1時，電路會振蕩。將這種振蕩合理利用到電路中，就形成了振蕩電路。圖6的不穩(wěn)定多諧振蕩器就是一個振蕩電路。

圖6：不穩(wěn)定多諧振蕩器電路

+側(cè)最大值VL和－側(cè)最大值 VL都是不穩(wěn)定的，兩個數(shù)值不斷變化，因此稱之為不穩(wěn)定。我們來看看這個電路中的動作。首先，輸出Vout經(jīng)由R2反饋至同相輸入端（ +），這是一個正反饋電路。然后在輸入Vout上應(yīng)用R3和C，這是一個積分電路。大家可能會覺得積分電路很難，實際上，我們可以將它簡單理解為， 輸出在Vout上的電壓的一部分，緩緩儲存到電容器的一個過程電路。在初始狀態(tài)中，通過正反饋電路Vout迅速增大并達(dá)到最大值（VL）。

然后， 通過R3和C構(gòu)成的積分電路，緩緩增加反相輸入端（－）。經(jīng)過一定時間，同相輸入端（＋）的電壓超過反相輸入端（－）電壓，相當(dāng)于在差動輸入上輸 入負(fù)電壓，則Vout在負(fù)側(cè)上迅速增大達(dá)到－VL。Vout變?yōu)樨?fù)，通過R3和C構(gòu)成的積分電路，反相輸入端（－）電壓緩緩增大。經(jīng)過一定 時間后，反相輸入端電壓超過同相輸入端（＋）的電壓，相當(dāng)于在差動輸入上輸入了正電壓，則Vout向正方向迅速變化。這個過程不斷重復(fù)，在Vout交替出現(xiàn) VL和－VL，從而實現(xiàn)振蕩電路動作。