引言：在嵌入式硬件设计中，信号处理和放大电路是至关重要的组成部分。它们不仅影响系统的性能，还直接关系到数据的准确性和可靠性。随着嵌入式系统的广泛应用，对各种传感器和外部设备的信号进行有效处理显得尤为重要。
运算放大器（运放）作为一种重要的模拟电路元件，在信号放大和处理过程中发挥着重要作用。运放可以实现多种功能，包括加法、减法、积分、微分等，通过适当的配置可以设计出各种应用电路，如下图为实物图，先作为引子，留个印象。

目录

运放的理论知识

运算放大器的传输特性

运算放大器的优点 

运放的原理

运放的理论知识

下图为运算放大器的符号，主体为一个三角形，有五个引脚，下述对引脚进行阐述。

• 非反相输入端（+）：

  • 该引脚用于输入信号，输入信号经过运放后保持相位不变。
  • 适用于增益为正的放大电路。

• 反相输入端（-）：

  • 该引脚同样用于输入信号，但输入信号经过运放后会反相。
  • 适用于增益为负的放大电路，常用于差分放大等应用。

• 输出端（Out）：

  • 运放的输出信号从此引脚输出，输出电压取决于输入信号和电路配置。
  • 该端口可以驱动负载。

• 电源引脚（V+ 和 V-）：

  • 运放通常需要正负电源供电，V+为正电源引脚，V-为负电源引脚。某些单电源运放仅有V+引脚。
  • 确保运放工作在适当的电源电压范围内，以保证其性能。

下图为运放相关手册的结构图。

运算放大器（运放）和三极管（BJT、FET等）都是用于信号放大的重要组件，但它们在结构、工作原理和应用方面存在显著的区别。以下是两者的比较。

此为运放电路的结构图：

此为三极管放大电路：

1. 基本结构

• 运放：
  • 运放通常由多个晶体管、二极管和电阻构成的集成电路。它具有多个引脚（如非反相输入、反相输入、输出、正负电源等）。
• 三极管：
  • 三极管是一种单一的半导体元件，主要有三根引脚（发射极、基极、集电极）。它可以是NPN或PNP类型。

2. 工作原理

• 运放：

  • 运放基于差动放大原理，输出电压为两个输入端电压之差的放大。运放可以通过外部反馈电路配置来控制增益和频率响应。

• 三极管：

  • 三极管通过基极电流控制集电极与发射极之间的电流。其工作主要依赖于电流放大原理。

3. 增益特性

• 运放：

  • 运放具有非常高的开环增益（通常为10^5到10^6），但通过负反馈可以稳定增益并提高线性度。

• 三极管：

  • 三极管的增益（β或hFE）相对较低，通常在20到1000之间，且对温度和其他因素敏感。

4. 输入和输出阻抗

• 运放：

  • 运放具有高输入阻抗和低输出阻抗，适合用于信号源的连接。

• 三极管：

  • 三极管的输入阻抗通常较低（尤其是BJT），输出阻抗较高，可能需要使用阻抗匹配电路。

5. 电源需求

• 运放：

  • 运放通常需要双电源（正负电源），但有些类型支持单电源供电。

• 三极管：

  • 三极管一般只需要一个电源供电，适用性更广。

运算放大器的传输特性

当我们了解完引脚功能之后，接下来对运放的特性图进行掌握。

上述参数引脚已经一一对应上了，A 即为运放的放大倍率，它是运放的一个固有参数，这个参数我们先不用去考虑，接下来的篇幅也会对其开展。只需要知道一般来说A非常大，可以达到几十万，因此，相关特性图的函数图也会非常 “陡峭” Up跟Un相差几十微伏或者更小时，才会进入这个区间。

下述图示部分就开始对传输特性进行演示以及模拟了，运放比较器。

运放比较器的工作原理基于其高增益特性。当两个输入电压（非反相输入和反相输入）被施加到运放的输入端时，运放会根据这两个电压的大小关系产生输出信号：

• 当 V+ > V-（非反相输入电压大于反相输入电压）时，输出接近正电源电压（Vout ≈ V+）。
• 当 V+ < V-（非反相输入电压小于反相输入电压）时，输出接近负电源电压或接地（Vout ≈ V-）。

这种特性使得运放可以用于实现开关行为。

Un 从 0V 上升到 5V 的过程中，输出电压波形如下所示。

当 Un 位于正弦波的下方时，Up > Un，输出 高电平。

当 Un 位于正弦波的中间时，输出 高电平。

当 Un 位于正弦波的上方时，输出 低电平。

综上，我们用的只是非线性区，对于中间的线性区域才是最重要的，后文笔者会对此放大器进行详细的梳理。

运算放大器的优点 

1、高增益：放大倍数为几千到几十万！Au = 10000+
2、线性度好：三极管放大电路会出现非线性失真，运放不会
3、输入阻抗(Ri)高（无穷），输出阻抗(Ro)低（几欧姆）
4、使用方便，电路结构简单，可控性好。

下图为原理图中的结构。

运放的原理

将同相端与反相端的电压差值放大Au倍

由运放的放大曲线知： 如果U+ - U- 超过了一定的值， 运放的输出电压就不会随着输入电压的差值增大而增大， 会变为水平，进入饱和区。 饱和电压为运放的供电电压。 如何才能正常的放大实际信号呢？显然， 第一个条件是运放必须工作在线性区， 第二个条件：运放必须引入反馈，工作在闭环状态。

u+  为同相输入端，u- 为反相输入端，uo为输出端
三者满足以下关系： Uo = Au*（U+  -  U-）
前面说过，Au为放大倍数，一般为几万到几十万！
现假设如下：
U+ = 0.002mV，U- = 0.001mV，Au = 100万 = 10^6 那么Uo = 10^6*（0.002 – 0.001） =  1 V

开环：不接反馈电阻Rf 闭环：输出端经过反馈电阻接到反相输入端
饱和电压为运放的供电电压。根据这个性质， 运放在开环状态可以当作电压比较器使用