电压放大器的工作原理

运算放大器的核心是一个具有恒流源的差分放大器，由于恒流源的作用尽量的保证晶体管的工作点，能在晶体管特性曲线比较线性的一段工作，并且采用了深度的负反馈使整个运算放大电路对信号具有较好的线性放大。一个运算放大器为了保证有一定的增益，都是采用多级直流放大器的组合，在制造时就在一个芯片上完成，以集成电路运算放大器的形式出现；保证了良好的耦合特性及稳定性。所以运算放大器就是高质量的模拟放大器的代名词 。

由于运算放大器的核心是一个差分放大器，所以就有两个输入端，和一个输出端，其在电路图上的表示符号，引脚的位置和电压比较器一样；两个输入端和输出的关系也有同相输入端和反相输入端的称呼。这两个输入端都可以输入信号（对称的差分信号）；也可以，一个输入端设定为基准电压，一个输入端输入模拟信号 。

运算放大器既然能把信号进行放大，显然我们用他来代替电压比较器作为电压比较用也是没有问题的，就有许多电路的电压比较电路就采用了运算放大器电路完成的。不过运算放大器作为电压比较器使用；其灵敏度、反映速度都要差的多，还是不要这样替代用的为好，但是电压比较器是绝对不能作为运算放大器用的。在一般的电路原理图上运算放大器和电压比较器，光从符号上很难区分图纸上表示的是运算放大器还是电压比较器，只能通过对电路的分析，进行判断 。

运算放大器的工作原理如下

1 运算放大器（OPAMP）

集成运算放大器有同向输入端和反向输入端，具体如下图所示；

输出电压?满足关系 ?，集成运放最终放大的是差模信号，在没有引入反馈的情况下，电压的放大倍数为差模开环放大倍数，这里记作，因此当运放工作在线性区域的时候，满足

集成运放的电压传输特性如下图所示；

工作在线性区的时候，则曲线的斜率为电压的放大倍数；

工作在非线性区的时候，即处于饱和状态的情况下，输出电压为

2 虚短和虚断

虚短前面提到，集成运算放大器的开环放大倍数很大，一般通用型的运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上，但是运放的输出电压是有限制的，一般Uom在10V～14V，然而运放的差模输入电压不足1 mV，因此可以输入两端可以近似等电位，就相当于?短路。?开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等，这种特性称之为虚短。

虚断集成运算放大器具有输入高阻抗的特性，一般同向输入端和反向输入端的输入电阻都在1MΩ以上，所以输入端流入运放的电流往往小于1uA，远小于输入端外电路的电流。所以这里通常可把运放的两输入端视为开路，并且运放的输入电阻越大，同向和反向输入两端越接近开路。在运放处于线性状态时，根据这个特性可以把两输入端视为等效开路，简称虚断。

3 反向放大器

3.1 典型电路

3.2 放大倍数

根据虚短和虚断，可以求出运算放大器的放大倍数：

假设流过电阻Rf的电流为If；流过电阻Rin的电流为Iin；

假设运算放大器同向输入端电压为V+，反向输入端电压为V-；

根据虚短，可以得到：

根据虚断，可知电阻和为串联关系：则满足：

最终求代数式可以得到：

3.3 仿真结果

Vin 为 频率50Hz，幅值为?500mV的正弦波，具体设置如下图所示；*[HTML]:

增益Gain=-（Rf/Rin）=-3；

所以输入输出关系为：Vout=-3V

仿真结果如下图所示；

4 同向放大器

4.1 双电源

同向放大器同样可以使用虚短虚断去分析；具体电路如下图所示；

推导过程：

假设流过电阻Rf的电流为If；流过电阻Rin的电流为Iin；

假设运算放大器同向输入端电压为V+，反向输入端电压为V-；

根据虚短，可以得到：

根据虚断，可知电阻Rin和Rf为串联关系：则满足：

最终求解得到：

4.2 双电源同向放大器仿真结果

Vin为 频率50Hz，幅值为?500mV的正弦波，具体设置如下图所示；

增益Gain=(Rf+Rin)/Rin=4；

所以输入输出关系为：Vout=4Vin

仿真结果如下图所示；

4.3 单电源

与上面双电源供电不同，如果运算放大器使用单电源，为了输出正常，如果使用单电源供电，非反向放的OP放大器必须与地线关联，如果 V- 是接地，那 V+ 输入端需要有 V+/2 的压降，这个可以通过电阻分压得到。单电源的电路如下图所示；

这里增加了两个20KΩ的分压，在V+端增加了2.5V的输入电压。

4.4 双电源同向放大器仿真结果

输入与上面的实验相同此处不再赘述；

增益Gain=(Rf+Rin)/Rin=2；

所以输入输出关系为：

5 总结

本文分析的运算放大器都是比较常用且简单的类型，当前只给出了如何计算输入和输出的关系，如果作为硬件设计人员，还需要关注更多的细节，更多运算放大器的指标，失调电压，温漂等等，笔者能力有限，无法进行分析，如果单纯作为读懂一般的运算放大电路还是够用的。