通用电压反馈运算放大器的基本操作概述

许多教材和参考指南将运算放大器（运放）定义为可以执行各种功能或操作（如放大、加法和减法）的专用集成电路（IC）。虽然我同意这个定义，但仍需注重芯片的输入引脚的电压。

当输入电压相等时，运算放大器通常在线性范围内工作，而运算放大器正是在线性范围内准确地执行上述功能。然而，运算放大器只能改变一个条件来使输入电压相等，即输出电压。因此，运算放大器的输出通常以某种方式连接到输入，这种通常被称为电压反馈。

在本文中，我将解释一个通用电压反馈运算放大器的基本操作，并请您参阅其他内容以了解更多信息。

图 1 描述了运算放大器的标准示意图符号。有两个输入端（IN+， IN-）、一个输出端（OUT）和两个电源端（V+， V-）。这些端的名称可能因制造商而异，甚至单个制造商也可能使用不同的名称，但它们仍然是相同的五个端。

例如，您可能会看到 Vcc 或 Vdd 而不是 V+。又或者，您可能会看到 Vee 或 Vss 而不是 V-。电源端子的其他标签会有所不同，因为它们指的是器件内部的晶体管类型。例如，当在运算放大器内部使用双极结型晶体管（BJT）时，电源对应于 BJT 的集电极和发射极：Vcc 和 Vee。在运算放大器内部使用场效应晶体管（FET）时，电源标签与 FET 的漏极和源极相对应：Vdd 和 Vss。如今，许多运算放大器同时包含 BJT 和 FET，因此 V+和 V- 是常见的标签，与器件内部的晶体管无关。简言之，不要太在意引脚标签，只要理解它们的作用即可。

等式 1 表示运算放大器的传递函数：

在等式 1 中，AOL 被称为“开环增益”。在现代运算放大器中，它通常是一个非常大的值（120 dB 或 1，000，000 V/V）。例如，如果 IN+和 IN- 之间的电压差仅为 1mV，运算放大器将尝试输出 1000V！在这种配置中，运算放大器不在线性区域内工作，因为输出不能使输入彼此相等（记住，理想情况下 In+等于 In-）。因此，运算放大器需要一种方法来控制开环增益，即通过负反馈来实现。

图 2 描述了作为反馈控制系统一部分的运算放大器。您会注意到输出 OUT 通过一个标记为ß的块反馈到负输入 IN-。ß被称为反馈因子，通常使用电阻来降低输出电压。

图 3 比较了开环运算放大器和负反馈运算放大器。这些 TINA-TI™软件仿真电路采用的运放是近乎理想的运放，加了电源来限制输出电压。注意，对于左侧的开环配置，输出几乎等于正电源（V+）。这是因为输入引脚之间有一个很小的差异（100mV）。这种小电压被开环增益放大，开环增益会强制输出到其中一个电源电压。在图 3 右侧的负反馈或闭环电路中，运算放大器输出上的分压器需要 200 mV 的输出电压，以便使反相和同相输入相等。

输入电压的放大称为增益。它是反馈回路中电阻值的函数。等式 2 描述了图 3 中右边电路的增益方程，这就是所谓的同相放大器。您将看到计算出的输出电压与仿真相符。如果您想要了解有关此电路（以及其他常见的运算放大器电路，如缓冲器、同相放大器和差分放大器）的更多信息，您可以下载电子书“模拟工程师电路指南：放大器”。”

运算放大器的输出受到电源电压的限制。图 4 是图 3 中同相放大器的输出电压与输入电压的关系图。注意当输出接近正负电源时，输出由于饱和受限。

由于这个限制，在图 5 中可以看到，随着输出接近电源，输入引脚之间的电压差 Vdiff 增加。只有当输入几乎相等时，运算放大器才在线性区域工作。

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这就是运算放大器的基本原理：只有当输入引脚的电压相等时，运算放大器才是线性的。然而，为了实现这一点，运算放大器只能调整其输出电压。输出摆幅限制会导致输入电压差增大，从而导致非线性。