原標題：運算放大器工作原理

運算放大器（Operational Amplifier，簡稱運放）是一種直流耦合、差模輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器。它的工作原理基于差分放大和負反饋機制，廣泛應用于模擬電路和數字信號處理中。以下是運算放大器工作原理的詳細解釋：

一、基本結構與特性

運算放大器通常包含三個主要端口：

1. 正相輸入端（+）： 接收正相輸入信號。

2. 反相輸入端（-）： 接收反相輸入信號。

3. 輸出端（Vout）： 輸出放大后的信號。

理想的運算放大器具備以下特性：

• 無限大的輸入阻抗： 輸入端對前級電路的影響幾乎為零。

• 等于零的輸出阻抗： 輸出端能夠驅動各種負載而不影響輸出電壓。

• 無限大的開環增益： 在沒有反饋的情況下，輸出電壓與輸入電壓之間的比值無限大。

• 無限大的共模抑制比： 對共模信號的抑制能力非常強。

• 無限大的頻寬： 能夠處理各種頻率的信號而不失真。

二、差分放大原理

運算放大器的核心是一個差分放大器，它放大兩個輸入端之間的電壓差。當正相輸入端和反相輸入端之間存在電壓差時，運算放大器會輸出一個放大后的電壓信號。輸出電壓與輸入電壓差的關系可以表示為：

Vout=(V+?V?)×Ado

其中，V+ 和 V? 分別是正相輸入端和反相輸入端的電壓，Ado 是運算放大器的開環差動增益。

三、負反饋機制

在實際應用中，運算放大器通常工作在負反饋模式下。負反饋通過將輸出信號的一部分反饋到反相輸入端，從而穩定放大器的增益和性能。負反饋的作用包括：

• 降低增益敏感性： 使放大器的增益對電路參數的變化不敏感。

• 擴展帶寬： 提高放大器的頻率響應。

• 減少失真： 降低非線性失真和噪聲。

四、虛短與虛斷

在負反饋條件下，運算放大器的兩個輸入端可以近似看作“虛短”（Virtual Short）和“虛斷”（Virtual Open）：

• 虛短： 正相輸入端和反相輸入端的電位幾乎相等，即 V+≈V?。

• 虛斷： 輸入端的電流幾乎為零，即輸入阻抗無限大。

這兩個特性極大地簡化了運算放大器電路的分析和設計。

五、基本電路與應用

根據負反饋的連接方式，運算放大器可以構成多種基本電路，如：

1. 反相放大器： 輸入信號通過電阻連接到反相輸入端，輸出信號通過反饋電阻反饋到反相輸入端。增益由反饋電阻和輸入電阻的比值決定。

2. 同相放大器： 輸入信號直接連接到正相輸入端，反饋電阻連接在輸出端和反相輸入端之間。增益大于1，且輸入阻抗高。

3. 電壓跟隨器： 一種特殊的同相放大器，增益為1。輸出電壓與輸入電壓相同，主要用于阻抗匹配和信號隔離。

此外，運算放大器還可以用于構建積分器、微分器、有源濾波器、比較器等電路，廣泛應用于信號處理、控制系統、測量儀器等領域。

六、總結

運算放大器的工作原理基于差分放大和負反饋機制。通過調整反饋網絡的參數，可以實現不同的放大倍數和電路功能。運算放大器的高增益、低輸入阻抗和高輸出阻抗等特性，使其在模擬電路和數字信號處理中發揮著重要作用。