运算放大器

运算放大器（op-amp）是一种具有高增益差分放大器，具有高输入阻抗和低输出阻抗。运算放大器通常用于提供电压幅度变化、振荡器、滤波器电路等。一个运算放大器可能包含多个差分放大器级以实现非常高的电压增益。

这是一种使用输出和输入之间直接耦合的高增益差分放大器。它适用于直流和交流操作。除了各种数学运算外，运算放大器还执行许多电子功能，例如仪表设备、信号发生器、有源滤波器等。这种多功能器件也用于许多非线性应用，例如电压比较器、模数转换器和数模转换器、对数放大器、非线性函数发生器等。

基本差分放大器

下图显示了一个基本差分放大器：

在上图中：

• V_DI = 差分输入

• V_DI = V₁ – V₂

• V_DO = 差分输出

• V_DO = V_C1 - V_C2

该放大器放大两个输入信号V₁和V₂之间的差值。

差分电压增益：

$$A_d = \frac{V_{DO}}{V_{DI}}$$

以及

$$A_d = \frac{(V_{C1} - V_{C2})}{V_{DI}}$$

如下图所示，基本运算放大器由三个级组成：

输入级

这是第一级，具有以下特性：

• 高共模抑制比 (CMRR)
• 高输入阻抗
• 宽带宽
• 低（直流）输入失调

这些是运算放大器性能的一些重要特性。该级由差分放大器级组成，晶体管的偏置使其充当恒流源。恒流源极大地提高了差分放大器的CMRR。

以下是差分放大器的两个输入：

• V₁ = 非反相输入
• V₂ = 反相输入

中间级

这是第二级，设计用于获得更好的电压和电流增益。需要电流增益来提供足够的电流来驱动输出级，在该级产生大部分运算放大器的功率。该级由一个或多个差分放大器、一个射极跟随器和一个直流电平转换级组成。电平转换电路使放大器能够具有两个差分输入和一个单输出。

输出级

这是运算放大器的最后一级，设计为具有低输出阻抗。这提供了驱动负载所需的电流。随着负载的变化，或多或少的电流将从输出级汲取。因此，至关重要的是前一级在不受输出负载影响的情况下工作。通过设计该级使其具有高输入阻抗和高电流增益，但输出阻抗低，可以满足这一要求。

运算放大器有两个输入：非反相输入和反相输入。

上图显示了反相型运算放大器。施加在反相输入端的信号被放大，但是输出信号与输入信号相位相差180度。施加在非反相输入端的信号被放大，输出信号与输入信号同相。

运算放大器可以连接到大量的电路中以提供各种工作特性。