運(yùn)算放大器

　　發(fā)展史

　　第一個(gè)使用真空管設(shè)計(jì)的放大器大約在1930年前后完成，這個(gè)放大器可以執(zhí)行加與減的工作。

　　運(yùn)算放大器最早被設(shè)計(jì)出來(lái)的目的是將電壓類比成數(shù)字，用來(lái)進(jìn)行加、減、乘、除的運(yùn)算，同時(shí)也成為實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算機(jī)（analog computer）的基本建構(gòu)方塊。然而，理想運(yùn)算放大器的在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的用途卻遠(yuǎn)超過(guò)加減乘除的計(jì)算。今日的運(yùn)算放大器，無(wú)論是使用晶體管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成電路（integrated circuits）元件，運(yùn)算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運(yùn)算放大器的要求。早期的運(yùn)算放大器是使用真空管設(shè)計(jì)，現(xiàn)在則多半是集成電路式的元件。但是如果系統(tǒng)對(duì)于放大器的需求超出集成電路放大器的需求時(shí)，常常會(huì)利用分立式元件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運(yùn)算放大器。

　　1960年代晚期，仙童半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor）推出了第一個(gè)被廣泛使用的集成電路運(yùn)算放大器，型號(hào)為μA709，設(shè)計(jì)者則是鮑伯·韋勒（Bob Widlar）。但是709很快地被隨后而來(lái)的新產(chǎn)品μA741取代，741有著更好的性能，更為穩(wěn)定，也更容易使用。741運(yùn)算放大器成了微電子工業(yè)發(fā)展歷史上一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的象征，歷經(jīng)了數(shù)十年的演進(jìn)仍然沒有被取代，很多集成電路的制造商至今仍然在生產(chǎn)741。直到今天μA741仍然是各大學(xué)電子工程系中講解運(yùn)放原理的典型教材。

　　原理

　　運(yùn)放如圖有兩個(gè)輸入端a（反相輸入端），b（同相輸入端）和一個(gè)輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓U-加在a端和公共端（公共端是電壓為零的點(diǎn)，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn)。）之間，且其實(shí)際方向從a 端高于公共端時(shí)，輸出電壓U實(shí)際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實(shí)際方向相對(duì)公共端恰好相同。為了區(qū)別起見，a端和b 端分別用"-"和"+"號(hào)標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。反轉(zhuǎn)放大器和非反轉(zhuǎn)放大器如下圖：

運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器

　　一般可將運(yùn)放簡(jiǎn)單地視為：具有一個(gè)信號(hào)輸出端口（Out）和同相、反相兩個(gè)高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運(yùn)放制作同相、反相及差分放大器。

　　運(yùn)放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對(duì)于雙電源供電運(yùn)放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動(dòng)輸入電壓為零時(shí)輸出也可置零。采用單電源供電的運(yùn)放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。

　　運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。這種運(yùn)放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運(yùn)算放大器。

　　運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)與兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0（E1-E2），其中，A0 是運(yùn)放的低頻開環(huán)增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的輸入信號(hào)電壓，E2 是反相端的輸入信號(hào)電壓。