运算放大器基础

1、概述

本文将介绍运算放大器（也称为运算放大器，Operational Amplifiers）。 运算放大器的基本目标是放大电压差，这就是为什么也可以将它们描述为差分放大器的原因。

运算放大器与晶体管发明于同一年（1947 年），最初是用真空管设计的，以便执行基本的数学运算。 大规模生产直到 20 世纪 50 年代才开始，当时运算放大器笨重、不可靠且成本高昂。 直到 20 世纪 60 年代末，才出现大量基于晶体管的运算放大器，价格仅为几美元。

如今，运算放大器是最常用的电子元件之一，其成本仅为几美分，并且由于其有趣的特性，它们被用于许多应用。

在第一部分中，我们将详细介绍运算放大器的架构和定义。 此外，我们还简要讨论了运算放大器的内部电路。

第二部分重点介绍理想运算放大器的概念，这是一个描述完美运算放大器功能的模型。

真实的运算放大器将在第三部分中讨论，我们将研究必须考虑的差异。

2、运算放大器表示

运算放大器通常表示为具有 5 个引脚的三角形，其中 4 个为输入，1 个为输出。

图1：运算放大器的表示和引脚配置

输出标记为 $V_{out}$，它是收集输出电压的引脚。$V_{+}$ 和 $V_{–}$分别是同相输入和反相输入。 $V_{S+}$和$V_{S-}$分别是正电源轨和负电源轨。

我们可以注意到，在大多数运算放大器的表示中，为了简化绘图，没有表示电源电压和引脚。 大多数时候，电源配置只是假设的，或者与在特定运算放大器上执行计算无关。

运算放大器的内部电路通常由一系列双极或场效应晶体管和其他无源元件组成，这些元件分三个不同的阶段组装，如图 2 所示：

图2：运算放大器的简化内部电路

差分级的目标是预放大差分信号$V_{+}-V_{–}$。 用于实现此过程的特殊配置称为晶体管长尾对电路或差分对。 此外，该配置提供高输入阻抗。

放大级通常是高增益A类放大器，电容器用于保证频率补偿。 请注意，许多放大级可以互连，以提供更高的放大输出。

最后，缓冲级不提供放大（单位增益），但具有低输出阻抗，因此提供高输出电流。 它还用于调整阻抗并防止短路。

3、开环增益（Open-Loop Gain）

一些主要特性可能与运算放大器相关，我们将在这里规定它们的电子行为。 第一个是开环增益（AOL），它是表示应用于输入差分电压的放大倍数的系数：

等式1：开环增益的定义

术语“开环”是指运算放大器的输出到反相输入没有施加反馈。 我们稍后将在本文中回到这个概念，但是，为了现在了解这个概念，我们在图 3 中显示了开环和闭环运算放大器之间的区别：

图3：开环和闭环配置的表示

4、输入和输出阻抗

输入阻抗 $Z_{in}$ 表示 V i n / I i