運(yùn)算放大器（簡稱“運(yùn)放”）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(xué)運(yùn)算的結(jié)果。由于早期應(yīng)用于模擬計算機(jī)中，用以實現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。運(yùn)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(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。

運(yùn)算放大器原理

運(yùn)放如圖有兩個輸入端a（反相輸入端），b（同相輸入端）和一個輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓U-加在a端和公共端（公共端是電壓為零的點，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點。）之間，且其實際方向從a 端高于公共端時，輸出電壓U實際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同。為了區(qū)別起見，a端和b 端分別用“-”和“+”號標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。反轉(zhuǎn)放大器和非反轉(zhuǎn)放大器如下圖：

一般可將運(yùn)放簡單地視為：具有一個信號輸出端口（Out）和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運(yùn)放制作同相、反相及差分放大器。

運(yùn)放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電源供電運(yùn)放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。采用單電源供電的運(yùn)放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。

運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設(shè)計的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。這種運(yùn)放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運(yùn)算放大器。

運(yùn)算放大器的輸出信號與兩個輸入端的信號電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0（E1-E2），其中，A0 是運(yùn)放的低頻開環(huán)增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的輸入信號電壓，E2 是反相端的輸入信號電壓。

運(yùn)算放大器的實際應(yīng)用——比較器

當(dāng)去掉運(yùn)放的反饋電阻時，或者說反饋電阻趨于無窮大時（即開環(huán)狀態(tài)），理論上認(rèn)為運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)也為無窮大（實際上是很大，如LM324運(yùn)放開環(huán)放大倍數(shù)為100dB，既10萬倍）。此時運(yùn)放便形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當(dāng)正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓時，運(yùn)放輸出低電平。

圖中使用兩個運(yùn)放組成一個電壓上下限比較器，電阻R1、R1ˊ組成分壓電路，為運(yùn)放A1設(shè)定比較電平U1；電阻R2、R2ˊ組成分壓電路，為運(yùn)放A2設(shè)定比較電平U2。輸入電壓U1同時加到A1的正輸入端和A2的負(fù)輸入端之間，當(dāng)Ui >U1時，運(yùn)放A1輸出高電平；當(dāng)Ui 《U2時，運(yùn)放A2輸出高電平。運(yùn)放A1、A2只要有一個輸出高電平，晶體管BG1就會導(dǎo)通，發(fā)光二極管LED就會點亮。

若選擇U1>U2，則當(dāng)輸入電壓Ui越出［U2，U1］區(qū)間范圍時，LED點亮，這便是一個電壓雙限指示器。

若選擇U2 > U1，則當(dāng)輸入電壓在［U2，U1］區(qū)間范圍時，LED點亮，這是一個“窗口”電壓指示器。

此電路與各類傳感器配合使用，稍加變通，便可用于各種物理量的雙限檢測、短路、斷路報警等。

運(yùn)算放大器的實際應(yīng)用——單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

此電路可用在一些自動控制系統(tǒng)中。電阻R1、R2組成分壓電路，為運(yùn)放A1負(fù)輸入端提供偏置電壓U1，作為比較電壓基準(zhǔn)。靜態(tài)時，電容C1充電完畢，運(yùn)放A1正輸入端電壓U2等于電源電壓V+，故A1輸出高電平。當(dāng)輸入電壓Ui變?yōu)榈碗娖綍r，二極管D1導(dǎo)通，電容C1通過D1迅速放電，使U2突然降至地電平，此時因為U1》U2，故運(yùn)放A1輸出低電平。當(dāng)輸入電壓變高時，二極管D1截止，電源電壓R3給電容C1充電，當(dāng)C1上充電電壓大于U1時，既U2>U1，

A1輸出又變?yōu)楦唠娖?，從而結(jié)束了一次單穩(wěn)觸發(fā)。顯然，提高U1或增大R2、C1的數(shù)值，都會使單穩(wěn)延時時間增長，反之則縮短。

如果將二極管D1去掉，則此電路具有加電延時功能。剛加電時，U1》U2，運(yùn)放A1輸出低電平，隨著電容C1不斷充電，U2不斷升高，當(dāng)U2》U1時，A1輸出才變?yōu)楦唠娖健?/p>

運(yùn)算放大器的實際應(yīng)用——同相交流放大器

同相交流放大器的特點是輸入阻抗高。其中的R1、R2組成1/2V+分壓電路，通過R3對運(yùn)放進(jìn)行偏置。電路的電壓放大倍數(shù)Av也僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4，電路輸入電阻為R3。R4的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐姆。也可以實現(xiàn)反向交流放大器。

運(yùn)算放大器的實際應(yīng)用——有源濾波電路

有源濾波器是指利用放大器、電阻和電容組成的濾波電路，可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面。但因受運(yùn)算放大器頻帶限制，這種濾波器主要用于低頻范圍。 下面選擇兩個實例應(yīng)用。

運(yùn)算放大器的實際應(yīng)用——無源濾波電路

濾波電路的作用：允許規(guī)定范圍內(nèi)的信號通過；而使規(guī)定范圍之外的信號不能通過。濾波電路的分類：

低通濾波器：允許低頻率的信號通過，將高頻信號衰減； 高通濾波器：允許高頻信號通過，將低頻信號衰減；

帶通濾波器：允許一定頻帶范圍內(nèi)的信號通過，將此頻帶外的信號衰減； 帶阻濾波器：阻止某一頻帶范圍內(nèi)的信號通過，允許此頻帶以外的信號衰減；

僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成的濾波電路，為無源濾波電路。它有很大的缺陷如：電路增益小，驅(qū)動負(fù)載能力差等。為此我們要學(xué)習(xí)有源濾波電路。