在電子學里，運算放大器(有時也叫信號放大器和電壓放大電路)，是一個由輸入、輸出電阻和電抗器構(gòu)成的多級放大器。
它通常是由兩個或更多個具有相同增益的并聯(lián)電路組成的。
在直流工作狀態(tài)時，這些電阻網(wǎng)絡(luò)將輸入電流轉(zhuǎn)化為相應的輸出電壓。
當交流信號通過時，這些電阻網(wǎng)絡(luò)將交流信號轉(zhuǎn)化為相應的直流電壓。
在開關(guān)電源中，一個典型的運算放大器由四組的高頻變壓器組成。每組高頻變壓器包含兩個相同的二端器件。每個二端器件都連接著一個三端穩(wěn)壓電源。
為了提高效率，許多現(xiàn)代運算放大器的結(jié)構(gòu)包括三個的開關(guān)管。
除了作為功率源外，它們還用于控制其他電路。
由于大多數(shù)現(xiàn)代電子產(chǎn)品都是使用集成運放的，所以這里主要討論的是集成運放的工作原理。
1、單極型雙極型運放 單極型雙極型運放在其應用中占主導。
2、互補推挽式運放 互補推挽式運放是一種常用的模擬集成電路。
3、差動式 差動式是兩種基本類型的組合。
4、復合 復合是在上述三種基本類型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。
5、其它 諸如負反饋等其它技術(shù)也已被引入到各種不同的模擬系統(tǒng)中，以實現(xiàn)更高的性能。
運放，全稱為運算放大器，是一種廣泛應用于模擬電路和數(shù)字電路中的非線性集成電路。它的主要功能是對輸入信號進行放大處理，同時具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、寬帶寬等特點。運放在電子電路中起著至關(guān)重要的作用，是許多電路設(shè)計的基礎(chǔ)。本文將對運放的工作原理、虛短與虛斷進行詳細解析。
一、運放的工作原理
運放的基本結(jié)構(gòu)包括一個差分輸入級、一個增益級和一個輸出級。差分輸入級的主要作用是將輸入信號進行差分放大，增益級則對差分放大后的信號進行進一步放大，輸出級將放大后的信號轉(zhuǎn)換為單端輸出。運放的工作過程可以分為以下幾個階段：
差分輸入級：運放有兩個輸入端，分別為正輸入端(+)和負輸入端(-)。當輸入信號加在這兩個端口時，差分輸入級的晶體管會對兩個輸入信號進行差分放大。由于差分放大的特性，運放對共模信號具有很強的抑制能力，只對差分信號進行放大。
增益級：差分放大后的信號進入增益級，增益級由多個晶體管組成，可以實現(xiàn)對信號的進一步放大。增益級的設(shè)計決定了運放的放大倍數(shù)，通常用增益帶寬積(GBW)來衡量。增益帶寬積越大，運放的頻帶寬度越寬，性能越好。
輸出級：放大后的信號經(jīng)過輸出級轉(zhuǎn)換為單端輸出。輸出級通常采用推挽式輸出或源極跟隨式輸出結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)高輸出阻抗和低輸出阻抗的轉(zhuǎn)換。輸出級的設(shè)計和選擇對運放的性能有很大影響。
二、虛短與虛斷
在運放工作過程中，存在兩個重要的概念：虛短和虛斷。這兩個概念是分析運放電路的關(guān)鍵，有助于簡化運放電路的分析過程。
虛短：虛短是指運放的正輸入端和負輸入端之間的電壓近似為0。這是因為運放的差分輸入級具有很高的輸入阻抗，使得兩個輸入端的電流非常小，因此電壓降也非常小。在運放工作過程中，虛短是一個基本假設(shè)，有助于簡化運放電路的分析過程。
虛斷：虛斷是指運放的輸入端口與地之間的電阻近似為無窮大。這是因為運放的差分輸入級具有很高的輸入阻抗，使得輸入端口與地之間的電流非常小，因此電阻非常大。在運放工作過程中，虛斷是一個基本假設(shè)，有助于簡化運放電路的分析過程。
三、虛短與虛斷的應用
虛短和虛斷是分析運放電路的重要工具，可以幫助我們快速理解運放電路的工作原理。以下是虛短和虛斷在運放電路分析中的應用實例：
1.反相放大器：反相放大器是運放最基本的應用之一，其電路結(jié)構(gòu)非常簡單。在反相放大器中，輸入信號通過電阻連接到運放的負輸入端，輸出信號通過電阻連接到運放的負輸入端。根據(jù)虛短和虛斷的概念，我們可以得出以下結(jié)論：
(1)由于虛短的存在，運放的正輸入端和負輸入端之間的電壓近似為0，因此輸出信號與輸入信號相反;
(2)由于虛斷的存在，運放的輸入端口與地之間的電阻近似為無窮大，因此輸入信號對輸出信號的影響非常小;
(3)由于運放的高增益特性，反相放大器可以實現(xiàn)對輸入信號的放大處理。
2.非反相放大器：非反相放大器是另一種常見的運放應用電路。在非反相放大器中，輸入信號通過電阻連接到運放的正輸入端和負輸入端，輸出信號通過電阻連接到運放的正輸入端。根據(jù)虛短和虛斷的概念，我們可以得出以下結(jié)論：
(1)由于虛短的存在，運放的正輸入端和負輸入端之間的電壓近似為0，因此輸出信號與輸入信號相同;
(2)由于虛斷的存在，運放的輸入端口與地之間的電阻近似為無窮大，因此輸入信號對輸出信號的影響非常小;
(3)由于運放的高增益特性，非反相放大器可以實現(xiàn)對輸入信號的放大處理。
總之，運放是一種非常重要的電子器件，廣泛應用于各種模擬電路和數(shù)字電路中。了解運放的工作原理、虛短與虛斷的概念及其應用，對于分析和設(shè)計運放電路具有重要意義。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，運放的性能將會越來越優(yōu)越，應用領(lǐng)域也將會更加廣泛。
運算放大器簡稱運放，由于早期應用于模擬計算機中，用以實現(xiàn)數(shù)學運算，故得名“運算放大器”。主要是用在模擬電路中，比如放大器、比較器、模擬運算器，是電子工程師經(jīng)常要用到的器件。運算放大器是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數(shù)學運算的結(jié)果。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導體芯片當中。
而隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運放是以單芯片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應用于電子行業(yè)當中。要想更好用好運放，透徹地了解運算放大器工作原理是必須的。
一、運算放大器工作原理是什么?
運算放大器(Operational Amplifier,簡稱OP、OPA、OPAMP)是一種直流耦合﹐差模(差動模式)輸入、通常為單端輸出(Differential-in, single-ended output)的高增益(gain)電壓放大器，因為剛開始主要用于加法，乘法等運算電路中，因而得名。一個理想的運算放大器必須具備下列特性：無限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。最基本的運算放大器如圖1-1。一個運算放大器模組一般包括一個正輸入端(OP_P)、一個負輸入端(OP_N)和一個輸出端(OP_O)。
運算放大器工作原理
最基本的運算放大器
通常使用運算放大器時，會將其輸出端與其反相輸入端(inverting input node)連接，形成一負反饋(negative feedback)組態(tài)。原因是運算放大器的電壓增益非常大，范圍從數(shù)百至數(shù)萬倍不等，使用負反饋方可保證電路的穩(wěn)定運作。但是這并不代表運算放大器不能連接成正回饋(positive feedback)，相反地，在很多需要產(chǎn)生震蕩訊號的系統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運算放大器是很常見的組成元件。
運算放大器工作原理
圖1-2開環(huán)回路運算放大器
開環(huán)回路運算放大器如圖1-2，當一個理想運算放大器采用開回路的方式工作時，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下： Vout = ( V+ -V-) * Aog 其中Aog代表運算放大器的開環(huán)回路差動增益(open-loop differential gai由于運算放大器的開環(huán)回路增益非常高，因此就算輸入端的差動訊號很小，仍然會讓輸出訊號「飽和」(saturation)，導致非線性的失真出現(xiàn)。因此運算放大器很少以開環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中，少數(shù)的例外是用運算放大器做比較器(comparator)，比較器的輸出通常為邏輯準位元的「0」與「1」。
閉環(huán)負反饋
將運算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來，放大器電路就處在負反饋組態(tài)的狀況，此時通?？梢詫㈦娐泛唵蔚胤Q為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號進入放大器的端點，又可分為反相(inverting)放大器與非反相(non-inverting)放大器兩種。 反相閉環(huán)放大器如圖1-3。假設(shè)這個閉環(huán)放大器使用理想的運算放大器，則因為其開環(huán)增益為無限大，所以運算放大器的兩輸入端為虛接地(virtual ground)，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下： Vout = -(Rf / Rin) * Vin
運算放大器工作原理什么非反相閉環(huán)放大器如圖1-4。假設(shè)這個閉環(huán)放大器使用理想的運算放大器，則因為其開環(huán)增益為無限大，所以運算放大器的兩輸入端電壓差幾乎為零，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下： Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin
圖1-4非反相閉環(huán)放大器
閉環(huán)正回饋
將運算放大器的正向輸入端與輸出端連接起來，放大器電路就處在正回饋的狀況，由于正回饋組態(tài)工作于一極不穩(wěn)定的狀態(tài)，多應用于需要產(chǎn)生震蕩訊號的應用中。
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