運算放大器（operational amplifier），簡稱：運放（op amp），是一種集成的放大器，它的特點是電壓增益非常大（通常為幾萬以上），同時輸入阻抗高、輸出阻抗低，是一種比較理想的放大器。置於為什么要在它的名稱前加上“運算”兩字，是因為最初這個器件是用來做計算的用的。
現在我們以提到計算機，肯定是指數字計算機，但當年可不是這樣。在上世紀40年代的時候，數字計算機的發展還剛剛起步，運算速度慢，價格昂貴，發展前景還不是很明朗。當年的很多計算工作都是靠模擬計算機來完成的，雖然模擬計算機的計算結果並不是很精確，但其結構簡單，成本低廉，運算速度快，很多情況下還是可以一用的（稍后我們會介紹如何用運放來構成加減法電路、積分微分電路）。后來，人們發現運放不只是可以做運算，還可以做成很多其他有用的電路，例如：微信號放大器、比較器、振盪器、濾波器等等。
本章我們介紹理想運放的概念及其能構成的功能電路。
1. 理想運算放大器
對於理想運放，我們對其做如下假設：開環電壓增益為無窮大、輸入阻抗為無窮大、輸出阻抗為0。其模型符號如下圖所示：
圖8-01.01
對於vi1，其輸入端帶一個“+”號，我們稱其為：同相輸入端（noninverting input）。對於vi2，其輸入端帶一個“-”號，我們稱其為：反向輸入端（inverting input）。
理想運放有以下兩個重要特點：
[1] 輸入電流為0；
[2] 兩個輸入端的電壓差永遠為0。
第(1)點輸入電流為0很好理解，因為我們將運放的輸入阻抗視為無窮大了，所以近似於開路。但是第2點就有些魔幻了，對於一般的電路，只有在兩個端子之間連一根電線讓它們短路，才能保證這兩個端子的電壓差永遠為0。但由於第(1)點的限制，理想運放的兩個輸入端子中沒有任何電流流過，因此不是短路；但這兩個端子的電壓差又時刻保持為0，就好像隔空同步一樣，因此有一個專門的名稱描述這一現象，稱為：虛短（virtual short）。雖然在實際中沒有這種魔幻的器件，但由於現在我們僅僅是抽象一個理想化模型，因此我可以接受這樣的假設。后面的各種理想運放電路的分析，都是基於理想運放這兩個特點展開的。（說句題外話，如果你再往后學習了信號處理與分析的相關知識，你就會理解，虛短是由於運放內部深度負反饋的設計造成的必然結果。）
我們再來看輸出，既然兩個輸入端的電壓差為0，電壓放大倍數又為無窮大，那輸出電壓到底是多少，0乘以無窮大是多少？這個就是理想運放的又一個魔幻點，由於0乘以無窮大可以為任意值，因此理想運放的輸出也可以為任意值，具體會輸出多少伏電壓，完全由外電路的配置決定。
（順便先提一下，在實際的運放器件中，輸入電流不完全為0，而是有及其微小的電流流入運放；且兩個輸入端子之間的電壓差也不完全為0，而是有很小的幾個微伏的電壓。正是這個幾微伏的電壓，乘以幾萬量級的電壓增益后，才能得到一個幾伏~十幾伏的輸出電壓，並且，能夠輸出的最大電壓受到運放器件供電電壓VCC的限制。）
2. 反相放大器
運放一個最基本的運用就是用來放大電壓信號，雖說其開環電壓增益為無窮大，但我們並不是要使輸入信號放大無窮大倍。就像我們在前面介紹過的各種BJT與FET放大電路那樣，我們要的是通過配置外圍電路的電阻值，來得到我們想要的電壓放大倍數。
一個最簡單的的使用運放的放大電路如下圖所示（這里輸入輸出電壓都用交流相量符號表示）：
圖8-01.02
電路工作情況分析如下：
電路的同相工作端接地，電壓值為0V，根據理想運放的虛短特點，V1點的電壓也必須為0V，然后根據歐姆定律，流過電阻R1的電流為：
由於理想運放的輸入端不能有任何電流流入，因此電流I1不會被分流，而全部流向Rf，根據歐姆定律，輸出端的電壓Vo為：
電路的實際電壓增益為：
其中的負號表明，輸出電壓與輸入電壓極性相反，因此這個結構的放大電路稱為：反相放大器（inverting amplifier），有時也稱為：反相比例放大器。
由於輸出到輸入之間有一個電阻Rf的存在，其作用是建立了輸出到輸入之間的一個反饋通道，不像開環增益那樣是純單向的增益，因此這個電路的實際電壓增益也稱為：閉環增益。閉環增益一般會比開環增益小得多，且其值不是取決於器件的原始性能，而是取決於電路的結構和配置。
3. 同相放大器
同相放大器的電路結構如下圖所示：
圖8-01.03
電路工作情況分析如下：
運放的反相輸入端電壓V1根據歐姆定律，計算式為：
根據理想運放的虛短特點，V1點的電壓與輸入電壓Vi相等，故上式可寫為：
因此電路的的實際電壓增益為：
電壓增益的表達式中沒有負號，輸出電壓與輸入電壓極性相同，因此這個結構的放大電路稱為：同相放大器（noninverting amplifier）。
4. 單位跟隨器
同相放大器有一種特殊的應用，稱為：單位跟隨器（unity follower），其結構如下圖所示：
圖8-01.04
其輸出電壓Vo跟隨輸入電壓Vi，電壓放大倍數為1：
歡迎關注本博公眾號，可方便在手機端訪問和索引本博技術文章：
（ end of 8-1）