运算放大器

运算放大器（英语：Operational Amplifier，简称OP、OPA、OPAMP、运放）是一种直流耦合，差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，减法等模擬运算电路中，因而得名。

通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正反馈（positive feedback）组态，相反地，在很多需要产生震荡信号的系统中，正反馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。

运算放大器有许多的规格参数，例如：低频增益、单位增益频率（unity-gain frequency）、相位边限（phase margin）、功耗、输出摆幅、共模抑制比（common-mode rejection ratio）、电源抑制比（PSRR，power-supply rejection ratio）、共模输入范围（input common mode range）、电压摆动率（slew rate）、输入偏移电压（input offset voltage，又译：失调电压）、还有噪声等。

目前运算放大器广泛应用于家电，工业以及科学仪器领域。一般用途的集成电路运算放大器售价不到一美元，而现在运算放大器的设计已经非常可靠，输出端可以直接短路到系统的接地端（ground）而不至于被短路电流（short-circuit current）破坏。

目录

[隐藏]

∙ 1 运算放大器的历史

∙ 2 运算放大器的基础

o 2.1 电路符号

o 2.2 理想运算放大器的操作原理

▪ 2.2.1 开回路组态

▪ 2.2.2 负反馈组态

▪ 2.2.2.1 反相闭回路放大器

▪ 2.2.2.2 非反相闭回路放大器

▪ 2.2.3 正反馈组态

∙ 3 实际运算放大器的局限

o 3.1 直流的非理想问题

▪ 3.1.1 有限的开回路增益

▪ 3.1.2 有限的输入阻抗

▪ 3.1.3 大于零的输出阻抗

▪ 3.1.4 大于零的输入偏压电流

▪ 3.1.5 大于零的共模增益

o 3.2 交流的非理想问题

o 3.3 非线性的问题

o 3.4 功率损耗的考量

∙ 4 在电路设计中的应用

∙ 5 直流特性

∙ 6 交流特性

∙7 运算放大器的应用

∙8 741运算放大器的内部结构

o8.1 电流镜与偏压电路

o8.2 差分输入级

o8.3 增益级

o8.4 输出级

∙9 CMOS运算放大器的内部结构

∙10 其他应用

∙11 参见

∙12 参考资料与附注

∙13 外部链接

[编辑]运算放大器的历史

第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。

运算放大器最早被设计出来的目的是用来进行加、减、微分、积分的模擬数学运算，因此称为运算放大器[1]。同时它也成为实现模拟计算机（analog computer）的基本建构单元。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减等的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integrated circuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。最早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的元件，但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的能力时，也会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。

以DIP-8型式封装的集成电路运算放大器

1960年代晚期，仙童半导体（Fairchild Semiconductor）推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为μA709，设计者则是鲍伯·韦勒（Bob Widlar）。但是709很快地被随后而来的新产品μA741取代，741有着更好的效能，更为稳定，也更容易使用。741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产741，而且在元件的型号

上一定会加上“741”以资区别。但事实上后来仍有很多效能比741更好的运算放大器出现，利用新的半导体元件，如1970年代的场效晶体管（FET）或是1980年代早期的金氧半场效晶体管（MOSFET）等。这些元件常常能直接使用在741的电路架构中，而获得更好的效能。

通常运算放大器的规格都会有严格的限制，而封装和对电源供应的需求也已经标准化。通常只需要少量的外接元件（external devices），运算放大器就能执行各种不同的模擬信号处理任务。在售价方面，虽然今日的标准型或是一般用途（general purpose）运算放大器因为需求量及产量皆大的缘故而跌至一元美金以下，但是特殊用途的运算放大器售价仍然有可能是泛用型的一百倍以上。

[编辑]运算放大器的基础

[编辑]电路符号

下图是一个标准运算放大器的电路符号：

运算放大器的电路符号及各端点

其中，

∙V+：非反相输入端（non-inverting input）

∙V−：反相输入端（inverting input）

∙V out: 输出端（output）

∙V S+: 正电源端（亦可能以V DD、V CC或V CC +表示）

∙V S−: 负电源端（亦可能以V SS、V EE或V CC −表示）

电源端点V S+和V S−的标示方法有很多种（详见：集成电路的电源端点），不过不管如何标示，电源端点的功能都是一样的。为了电路图的简洁起见，电源端点有时会被省略，而用文字直接说明。而在不会造成电路错接的前提下，正负输入端的在电路图里可以依照设计者的需要而对调，但是电源端通常不会这么做。

[编辑]理想运算放大器的操作原理