什么是運算放大器？
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許多教材和參考指南將運算放大器（運放）定義為可以執行各種功能或操作（如放大、加法和減法）的專(zhuān)用集成電路（IC）。雖然我同意這個(gè)定義，但仍需注重芯片的輸入引腳的電壓。
當輸入電壓相等時(shí)，運算放大器通常在線(xiàn)性范圍內工作，而運算放大器正是在線(xiàn)性范圍內準確地執行上述功能。然而，運算放大器只能改變一個(gè)條件來(lái)使輸入電壓相等，即輸出電壓。因此，運算放大器的輸出通常以某種方式連接到輸入，這種通常被稱(chēng)為電壓反饋。
在本文中，我將解釋一個(gè)通用電壓反饋運算放大器的基本操作，并請您參閱其他內容以了解更多信息。
運算放大器設計
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圖1描述了運算放大器的標準示意圖符號。有兩個(gè)輸入端（ IN+, IN-）、一個(gè)輸出端（OUT）和兩個(gè)電源端（ V+, V-）。這些端的名稱(chēng)可能因制造商而異，甚至單個(gè)制造商也可能使用不同的名稱(chēng)，但它們仍然是相同的五個(gè)端。
例如，您可能會(huì )看到 Vcc 或 Vdd 而不是V+。又或者，您可能會(huì )看到 Vee 或 Vss 而不是 V-。電源端子的其他標簽會(huì )有所不同，因為它們指的是器件內部的晶體管類(lèi)型。例如，當在運算放大器內部使用雙極結型晶體管（BJT）時(shí)，電源對應于BJT的集電極和發(fā)射極： Vcc 和 Vee 。在運算放大器內部使用場(chǎng)效應晶體管（FET）時(shí)，電源標簽與FET的漏極和源極相對應： Vdd和 Vss 。如今，許多運算放大器同時(shí)包含BJT和FET，因此V+和V-是常見(jiàn)的標簽，與器件內部的晶體管無(wú)關(guān)。簡(jiǎn)言之，不要太在意引腳標簽，只要理解它們的作用即可。
圖1：通用型運算放大器示意圖符號
等式1表示運算放大器的傳遞函數：
(1)
在等式1中， AOL 被稱(chēng)為“開(kāi)環(huán)增益”。在現代運算放大器中，它通常是一個(gè)非常大的值（120 dB或1,000,000 V/V）。例如，如果 IN+和 IN-之間的電壓差僅為1mV，運算放大器將嘗試輸出1000V！在這種配置中，運算放大器不在線(xiàn)性區域內工作，因為輸出不能使輸入彼此相等（記住，理想情況下 In+等于 In-）。因此，運算放大器需要一種方法來(lái)控制開(kāi)環(huán)增益，即通過(guò)負反饋來(lái)實(shí)現。
圖2描述了作為反饋控制系統一部分的運算放大器。您會(huì )注意到輸出OUT通過(guò)一個(gè)標記為?的塊反饋到負輸入IN-。?被稱(chēng)為反饋因子，通常使用電阻來(lái)降低輸出電壓。
圖2：負反饋運算放大器
圖3比較了開(kāi)環(huán)運算放大器和負反饋運算放大器。這些 TINA-TI?軟件仿真電路 采用的運放是近乎理想的運放，加了電源來(lái)限制輸出電壓。注意，對于左側的開(kāi)環(huán)配置，輸出幾乎等于正電源（V+）。這是因為輸入引腳之間有一個(gè)很小的差異（100mV）。這種小電壓被開(kāi)環(huán)增益放大，開(kāi)環(huán)增益會(huì )強制輸出到其中一個(gè)電源電壓。在圖3右側的負反饋或閉環(huán)電路中，運算放大器輸出上的分壓器需要200 mV的輸出電壓，以便使反相和同相輸入相等。
圖3：開(kāi)環(huán)（左）與負反饋（右）
輸入電壓的放大稱(chēng)為增益。它是反饋回路中電阻值的函數。等式2描述了圖3中右邊電路的增益方程，這就是所謂的同相放大器。您將看到計算出的輸出電壓與仿真相符。如果您想要了解有關(guān)此電路（以及其他常見(jiàn)的運算放大器電路，如緩沖器、同相放大器和差分放大器）的更多信息，您可以下載電子書(shū) “模擬工程師電路指南：放大器”。
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