什么是运算放大器？

许多教科书和参考指南将运算放大器（运放）定义为执行各种功能或操作（如放大、加法和减法）的特殊集成电路。虽然我同意这个定义，但同样重要的是要注意器件输入引脚上电压的重要性。

当输入电压相等时，运放通常处于线性工作状态，而正是在线性工作期间，运放才能准确执行上述功能。然而，运放只能改变一件事来使输入电压相等：输出电压。因此，运放电路的输出通常以某种方式连接到输入，这通常被称为电压反馈。

在本文中，我将解释通用电压反馈运放的基本工作原理，并引导您查阅其他内容以了解更多信息。

图 1 运放的标准原理图符号。

公式 1 表达了运放的传递函数：

在公式 1 中，AOL 被称为“开环增益”，在现代运放中它通常是一个非常大的值（120 dB，或 1，000，000 V/V）。举个例子，如果 IN+ 和 IN- 之间的电压差仅为 1 mV，运放将试图输出 1，000 V！在这种配置下，运放并非工作在线性区域，因为输出无法使输入彼此相等（请记住，理想情况下 IN+ 等于 IN-）。因此，运放需要一种方法来控制开环增益，这是通过负反馈来实现的。

图 2 将运放描绘为反馈控制系统的一部分。

图 3 开环运放与带有负反馈的运放比较。

输入电压的放大被称为增益。它是反馈回路中电阻值的函数。公式 2 描述了图 3 右侧电路的增益方程，该电路被称为同相放大器。您会看到计算出的输出电压与仿真结果相符。如果您有兴趣了解更多关于此电路（以及缓冲器、反相放大器和差分放大器等其他常见运放电路）的信息，可以下载电子书《模拟工程师电路设计指导手册：放大器》。

运放的输出受电源电压的限制。

图 4 同相放大器的输出电压与输入电压的关系图。

由于这一限制，您会在图 5中看到，当输出接近电源电压时，输入引脚之间的电压差 Vdiff 会增大。只有当输入几乎相等时，运放才工作在线性区域。

图 5 同相放大器电路中 Vdiff 与 IN+ 的关系

为了更深入地理解运放，请查看我们的模拟课程 TI Precision Labs。该课程进一步深入运放内部，讨论输入失调电压（Vos）、输入偏置电流（IB）以及输入/输出限制等基本非理想特性。课程还包含关于运放带宽（BW）、压摆率（SR）、噪声、共模抑制比（CMRR）、电源抑制比（PSRR）和稳定性等高级主题的讲座。除讲座外，部分主题还配有动手实验。要进行这些实验，您需要相应的运放评估模块。

如果您骨子里更喜欢动手折腾，您可能会对通用 DIY 放大器电路评估模块（用于单通道器件）、双通道通用 DIY 放大器电路评估模块（用于双通道器件）或 DIP 适配器评估模块（可与标准原型板或面包板配合使用）感兴趣。DIY EVM 支持多种封装，并内置多种标准运放电路，例如本文所述的同相放大器、反相放大器、缓冲器和滤波器（Sallen-Key 和多重反馈两种）。由于双列直插封装（DIP）适配器 EVM 可将许多标准表面贴装封装转换为 DIP，以便与面包板配合使用，因此您几乎可以在任何配置下评估几乎任何放大器。

所以，这就是运放的基本原理：只有当输入引脚上的电压相等时，它才是线性的。然而，为了实现这一点，运放只能调整其输出电压。输出摆幅限制可能导致输入电压彼此偏离，从而产生非线性的、不理想的行为。