运算放大器原理（运算放大器概述）

　　运算放大器原理（运算放大器概述）
　　运算放大器（operational amplifier），简称：运放（op amp），是一种集成的放大器，它的特点是电压增益非常大（通常为几万以上），同时输入阻抗高、输出阻抗低，是一种比较理想的放大器。至于为什么要在它的名称前加上＂运算＂两字，是因为最初这个器件是用来做计算的用的。
　　现在我们一提到计算机，肯定是指数字计算机，但当年可不是这样。在上世纪40年代的时候，数字计算机的发展还刚刚起步，运算速度慢，价格昂贵，发展前景还不是很明朗。当年的很多计算工作都是靠模拟计算机来完成的，虽然模拟计算机的计算结果并不是很精确，但其结构简单，成本低廉，运算速度快，很多情况下还是可以一用的（稍后我们会介绍如何用运放来构成加减法电路、积分微分电路）。后来，人们渐渐发明了运放的很多其他用途，例如：微信号放大器、比较器、振荡器、有源滤波器等等。
　　1. 理想运算放大器
　　对于理想运放，我们对其做如下假设：开环电压增益为无穷大、输入阻抗为无穷大、输出阻抗为0。其模型符号如下图所示：
　　图8-01.01
　　对于vi1，其输入端带一个＂+＂号，我们称其为：同相输入端（noninverting input）。对于vi2，其输入端带一个＂-＂号，我们称其为：'反向输入端'（inverting input）。
　　理想运放有以下两个重要特点：
　　[1]输入电流为0；
　　[2]两个输入端的电压差永远为0。
　　第[1]点输入电流为0很好理解，因为我们将运放的输入阻抗视为无穷大了，所以近似于开路。但是第[2]点就有些魔幻了，对于一般的电路，只有在两个端子之间连一根电线让它们短路，才能保证这两个端子的电压差永远为0。但由于第[1]点的限制，理想运放的两个输入端子中没有任何电流流过，因此不是短路；但这两个端子的电压差又时刻保持为0，就好像隔空同步一样，因此有一个专门的名称描述这一现象，称为：虚短（virtual short）。虽然在实际中没有这种魔幻的器件，但由于现在我们仅仅是抽象一个理想化模型，因此我可以接受这样的假设。后面的各种理想运放电路的分析，都是基于理想运放这两个特点展开的。（说句题外话，如果你再往后学习了信号处理与分析的相关知识，你就会理解，虚短是由于运放内部深度负反馈的设计造成的必然结果。）
　　我们再来看输出，既然两个输入端的电压差为0，电压放大倍数又为无穷大，那输出电压到底是多少，0乘以无穷大是多少？这个就是理想运放的又一个魔幻点，由于0乘以无穷大可以为任意值，因此理想运放的输出也可以为任意值，具体会输出多少伏电压，完全由外电路的配置决定。
　　（顺便先提一下，在实际的运放器件中，输入电流不完全为0，而是有及其微小的电流流入运放；且两个输入端子之间的电压差也不完全为0，而是有很小的几个微伏的电压。正是这个几微伏的电压，乘以几万量级的电压增益后，才能得到一个几伏~十几伏的输出电压，并且，能够输出的最大电压受到运放器件供电电压VCC的限制。）
　　2. 反相放大器
　　运放一个最基本的运用就是用来放大电压信号，虽说其开环电压增益为无穷大，但我们并不是要使输入信号放大无穷大倍。就像我们在前面介绍过的各种BJT与FET放大电路那样，我们要的是通过配置外围电路的电阻值，来得到我们想要的电压放大倍数。
　　一个最简单的的使用运放的放大电路如下图所示（这里输入输出电压都用交流相量符号表示）：
　　图8-01.02
　　电路工作情况分析如下：
　　电路的同相工作端接地，电压值为0V，根据理想运放的虚短特点，V1点的电压也必须为0V，然后根据欧姆定律，流过电阻R1的电流为：
　　由于理想运放的输入端不能有任何电流流入，因此电流I1不会被分流，而全部流向Rf，根据欧姆定律，输出端的电压Vo为：
　　电路的实际电压增益为：
　　其中的负号表明，输出电压与输入电压极性相反，因此这个结构的放大电路称为：反相放大器（inverting amplifier），有时也称为：反相比例放大器。
　　由于输出到输入之间有一个电阻Rf的存在，其作用是建立了输出到输入之间的一个反馈通道，不像开环增益那样是纯单向的增益，因此这个电路的实际电压增益也称为：闭环增益。闭环增益一般会比开环增益小得多，且其值不是取决于器件的原始性能，而是取决于电路的结构和配置。
　　3. 同相放大器
　　同相放大器的电路结构如下图所示：
　　图8-01.03
　　电路工作情况分析如下：
　　运放的反相输入端电压V1根据欧姆定律，计算式为：
　　根据理想运放的虚短特点，V1点的电压与输入电压Vi相等，故上式可写为：
　　因此电路的的实际电压增益为：
　　电压增益的表达式中没有负号，输出电压与输入电压极性相同，因此这个结构的放大电路称为：同相放大器（noninvertingamplifier）。