运算放大器的工作原理及应用

摘 要：随着电子技术的飞速发展，运算放大器在模拟电路中发挥了越来越重要的作用，在电子领域的应用十分广泛，如汽车电子、通信电子产品、消费电子产品等。运算放大器的特点便是可以实现对信号的计算，制成集成电路之后，具有体积小、性能稳定、应用灵活等优点。文章主要分析了运算放大器的工作原理，并针对运算放大器的特点，分析了对应的具体应用策略。

关键词：集成运算；工作原理；实际应用

运算放大器是模拟电路领域最常用的电子器件之一，属于有源元件，具有多个端钮，可以实现对信号的加减乘除、比例运算、微分和积分等计算，也可以用来处理电信号，如比较和选择信号的幅度。如今运算放大器凭借其优点广泛应用于自动控制系统、各种测量装置中，对电子科技的发展有着重要的意义。同时，运算放大器作为新兴的科技，在教学过程中一直都是重点和难点，许多教师往往都不知道应该如何教学，同学们更是大都难以理解其原理，在分析电路的时候就难以下手，更不用说应用计算了。

一、运算放大器的基本原理

为了了解掌握运算放大器，首先就要清楚它的工作原理。运算放大器有三个端口，其中有两个输入端口，分别为“+”和“-”；一个输出端口，常用渧表示。当输入信号从“-”端口输入放大器时，输出端的输出信号与输入信号反相；反之，当输入信号从“+”端口输入放大器时，输出端的输出信号与输入信号同相；当两个输入端口同时输入信号时，运算放大器实现减数运算，输出信号与较大的一方同相。所以说，运算放大器基本上可以说是一个电压放大器，主要有以下特点：（1）输入电阻很大，一般在2MΩ以上。对于理想运算放大器来说，输入电阻R=∞，也就是说，理想运算放大器输入端口之间没有电流流过，所以有“虚断”的理想放大器电路研究方法。（2）输出电阻很小，一般在100Ω之内。由于输出电压便是由输入端口控制的受控源两端的电压，所以运算放大器的输出电阻就是受控源的内阻，而理想受控源内阻为零，故理想运算放大器输出電阻为零。（3）电压放大倍数很高，一般可高达20万倍以上。理想运算放大器的放大倍数为无穷大，则两输入端口电压相等，所以有“虚短”的理想放大器电路研究方法。

从根本上讲，运算放大器也可以看做物理模型中的杠杆模型。由于放大器的工作性质，易知输出电压由两个输入端口电压及放大倍数共同决定，其中放大倍数可以视为运算放大器的力矩比，两端口电压值差可视为杠杆上施加的动力。当二者反相时，可视为支点在杠杆中间某位置，输入电压与输出电压在杠杆两端，一端升起一端下降，此时可理解为输出电压相比于输入电压落后180°；当二者同相时，可视为支点在杠杆一端，输出电压与输入电压在支点的同一端，两者同时升起和下降。

正弦波的输入可以理解为杠杆的输入端在竖直平面内做匀速圆周运动，该旋转圆等同于正弦波信号，可设为输入端的信号圆，输出端同理可设为输出端的信号圆。输入、输出信号圆的大小之比扥估输入阻抗与反馈阻抗的比，信号圆的半径即为正弦波的幅值。

二、运算放大器的应用

不同类型的运放组合可以形成近百种运放系列，按功能和性能划分，可以分为通用运放和专用运放，其中专业运放又分为高速运放、宽带运放、低功耗运放、高输入阻抗运放等，根据运放种类不同也有不同的功效。

运算放大器最典型的应用就是放大电路。与电压的输入端口有关，放大电路分为同相放大器和反相放大器，如果放大交流信号则需要采用隔直耦合电容，顾名思义，隔直耦合电容是隔断直流信号的，对于直流信号的放大自然不需要。放大电路的放大倍数通常设置在100倍左右，如果增益过高则会引起电路的震荡，形成一些不必要的麻烦，因而若是想放大更多的倍数，最好用多个增益效果相同的运算放大器级联，效果也比用一个运放更好。同样的，有放大电路就有衰减电路。集成运算放大器也可以组成衰减器，其原理与放大电路类似，只不过是反向增益，所以得到的效果截然相反。

除了上述提到的运算放大器的一些简单应用，一些精密运放还可以应用在高端的仪器中。以AD517为例，它是一种单片高精密运算放大器，拥有激光调整的低失调电压、低漂移等精密特性，同时具有内部补偿和短路保护，能防止自锁，具有超低偏置电流电路，偏置电流最大值1nA。AD517可以组成微电流-电压转换器，具有较高的灵敏度，本来的失调电压漂移和噪声等误差会被增益放大以致影响仪器性能的缺点也被AD517的精密性所弥补。在转换器的外部加上一层防护体作为屏蔽层以减少噪声的影响，便可以应用到需要的地方，且性能极佳。

在实际应用中，运放的选择必须要综合考虑到设计目的、目标的信号电平、闭环增益、所需的精度以及环境条件等其他因素，并将需求性能转化为运算放大器的对应参数。这就需要设计者深刻理解运算放大器的各个指标，以及不同运放的特性，同时考虑到最优性能和性价比，既要达到设计目的，又不能浪费资源。

三、结语

运算放大电路虽难，但是不管多复杂的电路，只要运用合适的方法，抓住运放电路的基本特点，所有的问题都可以解答。引用杠杆原理，对运算放大器进行深度剖析，可以较为直观地解析运算放大器的工作特性，了解运放的基本特点。总而言之，运算放大器主要用于处理信号，有两输入一输出共三个端口，输入电阻较大，输出电阻很小。理想运算放大器输入电阻无穷大，输出电阻为零，即拥有“虚短”和“虚断”的分析方法。信号的放大分为同相和反相，主要放大方式有比例运算方大、加减运算放大、微分和积分运算放大、指数和对数运算放大等。运算放大器可以级联，且不影响自身的输入——输出关系。

参考文献：

[1]黎昕，郑宏军.集成运算放大器的选择策略与应用技术[J].仪表技术，2014，（1）：67-68.

[2]孙正鼐，史普帅，张华强.运算放大器工作原理的深度剖析[J].电子技术应用，2015，（8）：34-38.

[3]龙晓庆.单电源集成运算放大器的应用探讨[J].大众科技，2016，（12）：14-15.

作者简介：胡玉松（1989-），男，汉族，四川广元人，硕士，助教，研究方向：集成电路设计、电路与系统。