运算放大器基础讲座 ~ 详细解说其种类与特性！ ~
运算放大器（Operational Amplifier）是目前我们使用的电子产品中最基本、最重要的部件之一。
本页将介绍运算放大器的工作原理、种类、主要组成部分、用途以及运算放大器的具体应用示例。
本讲座不仅对电子电路初学者和电路设计新手有用，也适合想要再次复习运算放大器基础知识的人。阅读了本篇内容后，你就能够理解运算放大器的基本概念。
什么是运算放大器？（原理和重要性）
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它是一种可以放大微弱电信号的集成电路（IC）。
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运算放大器的工作原理
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运算放大器除了有电源端子以外，还有两个输入端子和一个输出端子。
这两个输入端子中，一个称为“IN+”、“+输入”、“同相输入”等，另一个称为“IN-”、“-输入”、“反相输入”等。
运算放大器的最基本工作原理是放大这两个输入端之间的电压差并输出。
具体来说，就是在运算放大器内部放大 IN+ 和 IN- 这两个输入端之间的电压差并输出。
这个放大程度被称为放大率、放大系数、放大倍数、增益或电压增益（Av）。其关系式如图所示。图中所示的放大率通常由运算放大器本身的特性决定，也称为开环增益*。
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在Open Loop（开环模式）下使用时，输出始终保持最大值（High）或最小值（Low），类似于比较器。
为什么需要运算放大器？
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我们究竟为什么需要运算放大器呢？
在我们生活里存在着许多模拟信号。我们人类可以直接感知和感受到这些模拟信号。我们使用传感器读取这些来自自然界的模拟信号，并利用它们来改善我们的生活。
利用传感器等读取模拟信号
另一方面，我们现在正使用许多处理数字信号的设备，例如计算机和智能手机等。
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数字信号与连续、无中断的模拟信号不同，可以用代码表示，因此抗噪声和误差能力强，并且可以压缩/扩展，从而具有更好的信息加工性等优点。
然而，自然界中的大多数信息都是模拟信号，因此在使用数字设备时，必须将输入其中的模拟信号转换为数字信号。
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模拟信号是像线一样的连续值，数字信号是像点一样的离散值。
此外，前面提到的“读取自然界模拟信息的传感器”所发出的输出信号（模拟）几乎都是低功率的。
如果将传感器的信号直接转换为数字信号的话，信号会失真。另外，也有可能存在噪声或者信号过大。
如果使用这些失真信号（非预期状态的信号）进行计算的话，就不能指望系统能够按所设计的运行。
这时运算放大器就派上用场了。
将传感器输出的信号通过运算放大器转换为大小合适、失真较少的信号，然后通过A/D转换器将其转换为数字信号，从而系统就能够按照设计预期运行。
插入运算放大器并将其转换为合适的信号另外，从数字转换为模拟时，情况也是一样的。
数字设备输出的信号是由一系列“0”和“1”组成的数字信号。为了使其成为人类能够理解的信号，需要使用D/A转换器将其转换为模拟信号。数模转换时，有时也会用到运算放大器。
以下是卡拉OK机的例子。从麦克风输入的人声和乐器演奏音结合在一起，成为一首完整的音乐，并通过扬声器输出，最终进入我们的耳朵。
运算放大器的功能、特点和性能
运算放大器的功能
运算放大器的功能有哪些呢？
列举四个具有代表性的例子。 （图片仅供参考）
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放大: 将较小的输入信号放大为较大的输出信号（将小振幅变为大振幅）
放大信号振幅-
滤波: 从输入信号中去除不需要的信号，只输出所需的信号。
去除不需要的信号-
比较: 比较两个电压（工作原理类似于比较器）
比较两个信号电平-
缓冲: 对电流量小的传感器信号等通过运算放大器增大功率。
提高电流能力
接下来就运算放大器的特点进行解说。
运算放大器的特点
高放大系数（增益）
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运算放大器的特点之一是具有非常高的放大系数（增益）。
运算放大器的放大系数通常可达数十万到数百万倍，这意味着即使是非常微弱的输入信号也可以大幅度放大并输出。
由于运算放大器具有很高的放大系数，因此被广泛应用于各种用途。
例如，用音频设备放大微弱的声音信号，或者放大从传感器获得的微弱信号，以便更容易读取。
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高输入阻抗
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运算放大器具有非常高的输入阻抗*。
*阻抗：表示电路阻碍电流通过能力的物理量
设备或电路的阻抗越高，流入其中的电流量就越小。
运算放大器具有高输入阻抗，这意味着流入其输入端的电流非常小。
根据这一特性，运算放大器能够不失真地放大前一级信号源（图中的传感器）的信号。
总之，其优点是信号源不会浪费不必要的能量，就可以将信号有效地传递到电路的其他部分。 
高输入阻抗
由于运算放大器的输入级没有电流流入，因此传感器等设备即使电流能力低也没关系。
低输出阻抗
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运算放大器具有低输出阻抗的特点。这意味着运算放大器可以有效地提供大量电流。
当输出阻抗较低时，输出端提供的电流不受所连接负载大小的影响，因此信号可以无失真地被发送到后级负载。
也就是说，运算放大器可以直接向负载提供大量电流，从而可以在保持信号精度的同时对各种负载供电。 
低输出阻抗
另外，运算放大器有几个特有的概念。
什么是理想运算放大器？
理想运算放大器可将两个输入端之间的电压差无限放大。这意味着前面提到的放大系数为无穷大（∞）。此外，其输出阻抗为零，输入阻抗为无穷大。
在设计运算放大器电路时，理解理想运算放大器的概念有助于更容易地理解电路的工作原理。
在电路的初始设计阶段，通常基于理想运算放大器特性（无限带宽和增益、非常高的输入阻抗等）进行设计，然后根据实际参数进行调整。
另外，了解理想运算放大器的特性可以更容易地发现你设计的电路未按预期工作时所存在的问题，并通过分析实际特性与理想特性之间的差异，可以更容易找出问题的原因。
什么是虚拟短路
在调查运算放大器的时候，我想可能会遇到虚拟短路* 这个词。
虚拟短路也是理解运算放大器的一个非常重要的概念。
*虚拟短路是指假想的短路。
虚拟短路是指运算放大器的+输入端（同相输入端）和 -输入端（反相输入端）之间的假想短路 。 然而，即使它们实际上没有连接，但输入端的电位相同，看起来就好像输入端短路了一样。
在使用运算放大器设计电路时，理解虚拟短路的概念是非常重要的。
运算放大器干什么用呢
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到目前为止，我们已经介绍了运算放大器的功能和特点，那么，使用具有这种功能和特点的运算放大器能做什么呢？
为了便于理解，我们先举个例子。例如，如果把运算放大器比作人体的一个部位，那就是模拟式的大脑吧。另一方面，身体的其他部位，如眼睛、耳朵、鼻子等感知五感的部位，就像传感器一样。
作为大脑的运算放大器接收来自眼睛、耳朵、鼻子、皮肤和舌头等传感器的模拟信号，并将其转换成各种形式的信号进行处理。有时还会从嘴里发出声音（扬声器），活动手脚（马达）。
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这样，运算放大器就可以以各种形式处理和输出各种信号。
还可以反转输入信号，进行加、减、乘等四则运算、甚至微分和积分，以及让信号产生振荡和增大电流。
运算放大器的使用方法和电路示例
运算放大器的使用方法
运算放大器用在我们生活中的哪些地方呢？
运算放大器主要用于放大传感器信号/声音信号和量化功率。日常生活中运算放大器的应用实例如下：
运算放大器的典型电路示例
以下是典型的运算放大器放大电路及其放大系数的计算公式。
同相放大电路
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同相放大电路是不反转输入信号而进行放大的电路。
该电路在输出信号（VOUT）和GND之间有两个电阻（RIN和RF），这两个电阻的分压被输入到-输入端。
此外，输入信号（VIN）连接到运算放大器的+输入端。该电路的特点是输入信号和输出信号同相。
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反相放大电路
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反相放大电路是反转输入信号的相位并放大该信号的电路，在输入信号 （VIN）和输出信号（VOUT）之间有两个电阻（RIN 和 RF），这两个电阻分压被输入到-输入端。
此外，将+输入端连接到GND。该电路的特点是输入信号和输出信号的相位相反。
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差分放大电路
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运算放大器的差分放大电路是用于放大两个输入信号之间差值的电路。
输入信号连接到运算放大器的+和-输入端，差分输入信号在运算放大器内部被放大。
用反馈电路控制输出信号，输入信号之间的差值作为放大系数输出。
该电路可以降低进入端子的共模噪声*的影响。
*共模噪声：在两条或两条以上信号线或传输路径上出现的电磁干扰或噪声。
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仪表放大器电路
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仪表放大器电路是用于测量和控制等用途的放大电路，主要用于工业设备等。
仪表放大器能够高精度放大微小的输入信号，并最大限度地降低共模噪声。
仪表放大器用于放大来自传感器的微弱信号，广泛用于测量装置和控制系统。
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运算放大器的种类和选择方法
运算放大器的种类
运算放大器有很多种类，其分类方法也各不相同。
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按制造工艺分类 [双极制造工艺] - 输入阻抗低
- 耐压高
- 低频噪声小
- 消耗电流大
- *与CMOS制造工艺相比
[CMOS制造工艺] - 输入阻抗高
- 耐压低
- 低频噪声大
- 消耗电流小
- *与双极制造工艺相比
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按输入/输出级的构成分类 [双电源（dual）] - 失真率低
[单电源（single）] - 轨到轨输出
（Rail-to-Rail Output） - 轨到轨输入输出
（Rail-to-Rail Input and Output）
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按特性分类 [精密] - 失调电压小
[高速/宽频带] - 电压转换速率/GBW大
[低消耗电流] - 消耗电流小
[高输出] - 输出电流大
[低噪声] - 输入等效噪声电压小
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按特性分类 [高耐压] - 电源电压额定值大
[低压工作] - IC最低工作电压低
[小型封装] [车载用途] [高EMI抑制特性] - 有抗高频噪声性能
运算放大器的选择方法
由于世上不存在理想的运算放大器，因此市面上大多数运算放大器的部分特性具有特殊性。
因此，必须根据各自应用选择合适的运算放大器。选择运算放大器时需要考虑的主要参数和条件如下：
根据其他特性选择
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高速/宽频带
对于需要高频信号处理或快速响应的应用，可以选择具有宽频带特性的高速/宽频带运算放大器。
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用于车载
与通用运算放大器相比，车载运算放大器需要更高的耐久性和可靠性，例如宽温范围和支持高电压等。
我们还提供符合 AEC-Q100 等国际可靠性认证标准的各种产品，以及日清纺微电子独有的车载品质产品。
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精密
在要求精确处理信号的精密测量、传感、控制系统、数据转换等应用中，需要用精密运算放大器。
特别具有低失调电压、低漂移、高共模抑制比（CMRR）、高电源电压抑制比（PSRR）和高开环增益等特性。
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用于工业设备
工业设备用运算放大器除了要求高速/高精度等严格的规格外，还需要长期稳定的供货。
日清纺微电子还提供长期供货计划（PLP）。
运算放大器的特性
运算放大器的电气特性
输入失调电压
运算放大器的输入失调电压（Input Offset Voltage，也称为VIO或Vos）是指运算放大器的两个输入端（+输入端和 -输入端）之间产生的微小电压。理论上，运算放大器的输出为零时，其输入端之间不应存在电压差。
但是，在实际的运算放大器中，输入端之间存在微小的电压差。这就是输入失调电压。制造工艺的细微不均衡、元件的不完全匹配等都会造成影响，从而在输入端之间产生微小的电压。该值通常以(µV)到(mV)的数量级表示。
输入失调电压大，会导致输出信号出现误差。这种影响通常很小，可以通过电路设计或用补偿电路使其最小化，但不可能完全消除。特别是在处理DC信号或要求高精度的应用中，输入失调电压可能会产生影响。因此，有些运算放大器具有调节该失调电压的失调调整端子。
输入偏置电流和输入失调电流
运算放大器的输入偏置电流（Input Bias Current，也称为IB）通常是指流入运算放大器的+或-输入端的直流电流。
它会以运算放大器输入晶体管的基极电流（双极型输入）或保护器件的漏电流（FET 输入）的形式流动。
在理想运算放大器中，输入阻抗被假定为无穷大，因此偏置电流为零。但在实际的运算放大器中，由于内部晶体管需要微小的基极电流(双极输入时)，所以输入端存在少量的偏置电流。
另外，输入偏置电流也会随温度和时间而变化。输入偏置电流高的话，受此影响，运算放大器的输出可能会产生误差。
另一方面，输入失调电流（Input Offset Current，也称为Io）是指运算放大器的+输入端和输入端之间的输入偏置电流差。
理想情况下，这些输入端应该处于相同的电位，但由于制造工艺的不均衡或元件特性的差异，会产生微小的电流。
电源电压抑制比
运算放大器的电源电压抑制比（Power Supply Rejection Ratio, PSRR*）是衡量运算放大器对电源电压波动的影响程度的指标。PSRR通常以分贝（dB）表示。PSRR 值越高，运算放大器的性能就越好，依赖于电源电压的失调电压的波动就越小。
另一方面，如果PSRR较低，则依赖于电源电压的失调电压的波动会直接影响运算放大器的输出，输入信号就可能出现失真。
*也称为SVR(Supply Voltage Rejection)
共模抑制比
运算放大器的共模抑制比（Common-Mode Rejection Ratio，简称CMR或CMRR）表示运算放大器对共模信号的敏感度。
运算放大器放大+输入端和-输入端之间的差值，因此当两个输入端输入共模信号时，由于没有差值，所以理想运算放大器的输出不会波动。
但是，在实际的运算放大器电路中，由于内部元件的不对称性和不均衡等原因，存在输入失调电压，因此输出会出现随共模信号变化的失调电压波动。
CMRR性能高的运算放大器可以抑制共模噪声等外部共模信号，只放大差分信号，从而提高了信号精度。
CMRR 通常以分贝 (dB) 表示，数值越大表示性能越好。
输入等效噪声电压
运算放大器的等效输入噪声电压是衡量运算放大器输入元件中噪声大小的指标。
运算放大器由几十个元件构成。运算放大器输出端出现噪声大都源于输入级差分对的特性。
其他元件的配置不易在输出中出现噪声。因此，当运算放大器输入直流信号，并以较大的放大系数工作时，输出就会出现交流信号。
出现的交流信号将成为运算放大器输入级的噪声信号。输出中出现的交流信号除以反馈电路设定的放大系数后的值即为输入等效噪声电压。该值通常以 (μVrms) 或 (nV√Hz) 表示。
开环电压增益
开环电压增益（Open-Loop Voltage Gain）表示运算放大器在无反馈情况下工作时，输出电压与输入电压的比值。
它是衡量运算放大器在无反馈情况下放大信号能力的指标。该值通常以分贝 (dB) 表示，开环电压增益越大，运算放大器的放大系数就越大。
增益带宽积
运算放大器的增益带宽积（Gain-Bandwidth Product，也称为GBP）是表示运算放大器的增益（放大系数）与工作频带之间关系的指标。
增益带宽积表示为运算放大器的增益与工作频带的乘积，通常以赫兹 (Hz) 为单位。
运算放大器增益（放大系数）和可用带宽（频率范围）通常成反比。也就是说，放大系数越大，运算放大器能够有效工作的频率范围（即带宽）就越窄。相反，频带宽越宽，放大系数就越小。
电压转换速率
电压转换速率（Slew Rate）表示运算放大器的输出信号电压能够跟随输入信号多快变化响应的能力。该值越大，运算放大器的响应速度越快。
也就是说，具有高转换速率特性的运算放大器能够迅速跟随急速变化的输入信号，而低转换速率的运算放大器不能快速跟随输入信号变化，这可能会导致输出信号失真。
运算放大器术语库
以下是运算放大器常用的术语。
| 术语 | 解说 | |
|---|---|---|
| 同相输入端子 | Non-inverting Input terminal | 运算放大器符号上标有“+”、“VIN+”、“IN+”、“+INPUT”等的输入端子。通常，这些端子由电压控制。与输入到反相输入端子的电压进行比较控制的端子。 |
| 反相输入端子 | Inverting Input terminal | 运算放大器符号上标有"-"、" VIN-"、" IN-"、"-INPUT "等的输入端子。通常，这些端子由电压控制。与输入到同相输入端子的电压进行比较控制的端子。 |
| 增益 | Gain | 增益也表示为放大系数、放大倍数或放大率。运算放大器放大输入到-输入和+输入的信号，而增益是表示放大能力的重要参数。另外，当运算放大器上写有增益或Gain时，指的是电压增益。 |
| 开环增益 | Open Loop Gain | 是指运算放大器在未接有反馈电路时直流信号的增益。在理想的运算放大器中，该值接近无穷大，但在实际的运算放大器中是有限值。开环增益在实际应用中很少用到，多用于理解运算放大器的基本特性。 |
| 闭环增益 | Closed Loop Gain | 是通过反馈环将部分信号从运算放大器的输出端反馈到输入端而设定的增益。由此，运算放大器的输出由输入信号控制，并调整到预定的增益以稳定输出。闭环增益取决于电路配置。 |
| 反馈电阻 | Feedback Resistor | 连接在运算放大器输出端和反相输入端之间的电阻。输出信号通过该电阻反馈到输入端，从而确定闭环增益。 |
| 负反馈 | Negative Feedback | 这是一种将运算放大器输出端的信号反馈到反相输入端的方法，通常会在该路径中插入一个反馈电阻。通过该电阻将输出的部分信号反馈输入端，从而决定运算放大器的整体增益，这是确保运算放大器稳定工作的重要技术之一。 |
| 轨到轨 | Rail-to-Rail | 轨是指电源电压，轨到轨运算放大器是一种设计用于在整个电源电压范围（从最高电压轨到最低电压轨）内都可工作的运算放大器 （也称为满摆幅或全振幅运算放大器）。与只能在共模输入电压范围内工作的双电源和单电源运算放大器不同，轨到轨运算放大器可以在整个电源电压范围内放大信号。另外，有轨到轨输入和轨到轨输出的产品，还有轨到轨输入输出的产品。 |
| 带宽 | Bandwidth | 指的是运算放大器可以放大信号的频率范围，是运算放大器可以使用的最低频率到最高频率的范围，运算放大器可以在该范围内工作。 |
| 虚拟短路 | Virtual Short | 意思是假想( Virtual )的短路( Short )。运算放大器的输入端，+输入端（同相输入端）和-输入端（反相输入端）实际上并没有连接，由于处于相同的电位，所以两输入端看起来像是短路的状态。这是理解运算放大器时非常重要的概念。 |
运算放大器常见问题
关于运算放大器（OP 放大器）各项功能的详细说明与常见问题，请参阅下方 FAQ。
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