运算放大器(运放)

运算放大器（简称运放，英文：Operational Amplifier，Op-Amp）是一种具有高增益的电子电路元件，主要用于放大电压信号。运放是模拟电路设计中的基础器件，广泛应用于信号放大、滤波、信号运算、信号调理等各种电路中。理想运放有两个输入端和一个输出端：

• 同相输入端（+）：输入信号通过这个端口进入，与输出同相。
• 反相输入端（-）：输入信号通过这个端口进入，与输出反相。
• 输出端：放大后的信号从此端输出。

1. 运放的基本特点

理想运放具有以下几个特性：

• 无限增益：理想运放的开环增益（即无反馈的情况下）是无限的。
• 无限输入阻抗：输入电阻无穷大，因此不会吸收输入信号电流。
• 零输出阻抗：输出阻抗为零，意味着可以驱动任何负载。
• 零输入电压差：在负反馈的情况下，运放的两个输入端电压几乎相等。
• 快速响应：运放的输出能够快速响应输入信号变化。

2. 运放的工作原理

运放的基本工作原理是通过两个输入端之间的电压差来控制输出端的信号。当同相输入端电压高于反相输入端时，输出电压为正，反之则为负。在理想状态下，输入端的电流极小或趋近于零，因此输入阻抗很高；输出电压受输入电压差的影响，在负反馈的条件下，运放会调整输出电压以使输入端电压差趋近于零。

3. 运放的常见电路应用

运放的电路应用非常广泛，以下是几个常见的运放电路：

• 电压跟随器：也称为缓冲器，用于信号隔离，将高阻抗信号源转换为低阻抗输出，避免信号源受到负载影响。
• 反相放大器：将输入信号反相，并按照反馈电阻和输入电阻的比率放大。
• 同相放大器：输入信号不反相，同样按电阻比率放大，适用于高阻抗输入场合。
• 差分放大器：放大两个输入信号之间的电压差，用于差分信号处理。
• 积分器和微分器：通过连接电容和电阻，运放可以用来实现积分和微分电路，适用于模拟计算和滤波。
• 滤波器：运放结合电阻和电容可以构成有源滤波器，如低通、带通和高通滤波器，用于信号处理。

4. 运放的实际应用

• 信号放大：用于传感器、麦克风、音频设备等，放大微小的电压信号。
• 波形生成：利用运放组成振荡电路，可以产生正弦波、方波、三角波等信号。
• 数据采集与处理：在传感器信号调理电路中，将弱信号放大到 ADC 可处理的范围。
• 自动控制系统：在 PID 控制器中，用运放实现比例、积分和微分运算。

5. 常用运放的实际性能参数

• 增益带宽积（GBW）：表示运放的增益和带宽的乘积，影响信号的放大速度。
• 压摆率（Slew Rate）：表示运放输出电压变化的速度，影响运放响应快慢。
• 输入失调电压：指两个输入端的微小电压差，这是运放非理想特性之一。
• 输入偏置电流：流入运放输入端的电流，越小越好，特别是高阻抗电路应用。