5、运算放大器：原理、应用与设计

运算放大器：原理、应用与设计

1. 运算放大器简介

运算放大器（op - amp）是模拟电路设计中极为重要的集成电路。早期的运算放大器由真空管制成，体积庞大且功耗高。1947 年晶体管的发明使工程师能够制造出更小、更高效的运算放大器，但当时的运算放大器由单个晶体管和电阻在印刷电路板（PCB）上互连而成。直到 1970 年左右集成电路（IC）制造工艺发展起来，工程师才能够将所有运算放大器的晶体管和电阻集成到单个 IC 芯片上。如今，只需 0.4 美元就能在单个 IC 上找到多达四个高质量的运算放大器。

运算放大器最初被设计用于执行数学运算，如加法、减法、微分和积分。通过向运算放大器添加简单网络，还能实现电压缩放、电流 - 电压转换等更复杂的应用。

2. 运算放大器模型

要理解运算放大器的性能，建模是关键。去除多余部分后，运算放大器本质上是一个出色的电压放大器，即输出电压是输入电压的缩放副本。现代运算放大器性能优良，容易创建准确的一阶模型。

以通用的 National Semiconductor 的 LM324 四运放为例，其引脚 3 和 2 分别为非反相输入（IN1 +）和反相输入（IN1 -），引脚 1 为输出。输出与输入电压之间的关系为：
[v_{o}=A_{o}(v_{IN +}-v_{IN -})]
其中 (A_{o}) 是运算放大器的增益，典型值在 10,000 到 1,000,000 之间。放大需要电源，通过引脚 4 和 11 连接的直流电压源 (V_{CC}) 和 (V_{EE}) 提供。

运算放大器的模型可以用一个依赖电压源来表示输出电压，同时用两个电阻来模拟输入和输出的电流 - 电