運算放大器原理，集成運算放大器原理
運算放大器原理
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)。
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。原因是運算放大器的電壓增益非常大，范圍從數百至數萬倍不等，使用負反饋方可保證電路的穩定運作。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，在很多需要產生震蕩訊號的系統中，正回饋組態的運算放大器是很常見的組成元件
開環回路
圖1-2開環回路運算放大器
開環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系式如下：
Vout = ( V+ -V-) * Aog
其中Aog代表運算放大器的開環回路差動增益 （open-loop differential gai由于運算放大器的開環回路增益非常高，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。因此運算放大器很少以開 環回路出現在電路系統中，少數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的狀況，此時通常可以將電路簡單地稱為閉環放大器。閉環放大器 依據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。
反相閉環放大器 如圖1-3。假設這個閉環放大器使用理想的運算放大器，則因為其開環增益為無限大，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系式如下：
Vout = -(Rf / Rin) * Vin
圖1-3反相閉環放大器
非反相閉環放大器如圖1-4。假設這個閉環放大器使用理想的運算放大器，則因為其開環增益為無限大，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系式如下：
Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin
圖1-4非反相閉環放大器
集成運算放大器原理
由于運算放大器的增益極高，所以不能在兩輸入端之間加上輸入信號，而一定要用作反饋放大器。這種運算放大器基本上可分為圖 2 － 9 所示的非倒相放大電路和圖 2 － 10 所示的倒相放大電路兩類。
(a) 非倒相放大電路
首先，我們來討論非倒相放大電路。設 IN+ 端和 IN －端的電壓分別為V+和V- ，并認為運算放大器的增益無限大，則為要獲得有限的輸出電壓，則 V+=V- 。這點則是運算放大器工作中的一大特征。在此前提下，分析電路工作就能變得十分簡單。根據此特征，輸入 與輸出的關系為：
(b) 倒相放大電路
下面我們來分析倒相放大電路。V+ = V-，這點是與非倒相放大電路情況相同的， 所以V+=0V 。這樣，盡管有輸入信號，然而IN-端處為 0V 。恰似接地，所以被叫做假想接地。于是，若討論流經 R5、Rf 的電流 I ，由于運算放大器的輸入電流為 0 ，則
據此，可得出輸入與輸出的關系
可見，非倒相放大器和倒相放大電路，是從對應于輸入，其輸出是否倒向這一事實出發而得名的。
(c) 差分放大電路
如圖 2 －11 所示，可將兩個這種放大電路組合成差分放大電路。IN+ 端的電壓V+由R51和Rf1分壓而得
流經R52和Rf2的電流 I 為
由上述兩式可得
即差分放大器能夠獲得V1和V2之差成正比的輸出。
實際的運算放大器
以上所述是均是理想的運算放大器的情況。實際上，運算放大器的增益不可能無限大，有電流向IN-、IN+端子流入（或流出），并且其電流不一定相等。即使在無信號時，V+、V-之間也有一定的電壓。
(a) 輸入偏置電流的影響
如果運算放大器的輸入級由晶體管構成，要使電路能正常工作，應有偏置電流（基極電流）流過。該輸入偏置電流流經反饋電阻時，會產生壓降，從而造成輸 出誤差。
對于采用場效應管構成輸入級的運算放大器，由于輸入偏流幾乎可以忽略不計，不必產生過去的顧慮。但是，由于采用場效應管輸入的運算放大器來講，如果 溫度上升 10 攝氏度 ，則輸入偏流將增高兩倍，因此，這種運算放大器必須避免在高溫情況下使用。
(b) 輸入位移電流的影響
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