許多教材和參考指南將運算放大器（運放）定義為可以執行各種功能或操作（如放大、加法和減法）的專用集成電路（IC）。雖然我同意這個定義，但仍需注重芯片的輸入引腳的電壓。

當輸入電壓相等時，運算放大器通常在線性范圍內工作，而運算放大器正是在線性范圍內準確地執行上述功能。然而，運算放大器只能改變一個條件來使輸入電壓相等，即輸出電壓。因此，運算放大器的輸出通常以某種方式連接到輸入，這種通常被稱為電壓反饋。

運算放大器設計

圖1描述了運算放大器的標準示意圖符號。有兩個輸入端（IN+, IN-）、一個輸出端（OUT）和兩個電源端（V+, V-）。這些端的名稱可能因制造商而異，甚至單個制造商也可能使用不同的名稱，但它們仍然是相同的五個端。

例如，您可能會看到Vcc或Vdd而不是V+。又或者，您可能會看到Vee或Vss而不是V-。電源端子的其他標簽會有所不同，因為它們指的是器件內部的晶體管類型。例如，當在運算放大器內部使用雙極結型晶體管（BJT）時，電源對應于BJT的集電極和發射極：Vcc和Vee。在運算放大器內部使用場效應晶體管（FET）時，電源標簽與FET的漏極和源極相對應：Vdd和Vss。如今，許多運算放大器同時包含BJT和FET，因此V+和V-是常見的標簽，與器件內部的晶體管無關。簡言之，不要太在意引腳標簽，只要理解它們的作用即可。

圖1：通用型運算放大器示意圖符號

等式1表示運算放大器的傳遞函數：

(1)

在等式1中，AOL被稱為“開環增益”。在現代運算放大器中，它通常是一個非常大的值（120 dB或1,000,000 V/V）。例如，如果IN+和IN-之間的電壓差僅為1mV，運算放大器將嘗試輸出1000V！在這種配置中，運算放大器不在線性區域內工作，因為輸出不能使輸入彼此相等（記住，理想情況下In+等于In-）。因此，運算放大器需要一種方法來控制開環增益，即通過負反饋來實現。

圖2描述了作為反饋控制系統一部分的運算放大器。您會注意到輸出OUT通過一個標記為ß的塊反饋到負輸入IN-。ß被稱為反饋因子，通常使用電阻來降低輸出電壓。

圖2：負反饋運算放大器

圖3比較了開環運算放大器和負反饋運算放大器。這些TINA-TI™軟件仿真電路采用的運放是近乎理想的運放，加了電源來限制輸出電壓。注意，對于左側的開環配置，輸出幾乎等于正電源（V+）。這是因為輸入引腳之間有一個很小的差異（100mV）。這種小電壓被開環增益放大，開環增益會強制輸出到其中一個電源電壓。在圖3右側的負反饋或閉環電路中，運算放大器輸出上的分壓器需要200 mV的輸出電壓，以便使反相和同相輸入相等。  

圖3：開環（左）與負反饋（右）

輸入電壓的放大稱為增益。它是反饋回路中電阻值的函數。等式2描述了圖3中右邊電路的增益方程，這就是所謂的同相放大器。您將看到計算出的輸出電壓與仿真相符。如果您想要了解有關此電路（以及其他常見的運算放大器電路，如緩沖器、同相放大器和差分放大器）的更多信息，可以下載電子書“模擬工程師電路指南：放大器”。”

(2)

運算放大器的輸出受到電源電壓的限制。圖4是圖3中同相放大器的輸出電壓與輸入電壓的關系圖。注意當輸出接近正負電源時，輸出由于飽和受限。

圖4：同相放大器電路的輸出與輸入電壓

由于這個限制，在圖5中可以看到，隨著輸出接近電源，輸入引腳之間的電壓差Vdiff增加。只有當輸入幾乎相等時，運算放大器才在線性區域工作。

圖5：同相放大器電路的Vdiff和IN+

深入探討運算放大器，并討論輸入失調電壓（Vos）、輸入偏置電流（IB）和輸入/輸出限制等基本非理想因素。還有一些高級主題講座，如運算放大器帶寬（BW）、壓擺率（SR）、噪聲、共模抑制比（CMRR）、電源抑制比（PSRR）和穩定性。

這就是運算放大器的基本原理：只有當輸入引腳的電壓相等時，運算放大器才是線性的。然而，為了實現這一點，運算放大器只能調整其輸出電壓。輸出擺幅限制會導致輸入電壓差增大，從而導致非線性。