运放电路的工作原理详解

在电子学里，运算放大器(有时也叫信号放大器和电压放大电路)，是一个由输入、输出电阻和电抗器构成的多级放大器。

它通常是由两个或更多个具有相同增益的并联电路组成的。

在直流工作状态时，这些电阻网络将输入电流转化为相应的输出电压。

当交流信号通过时，这些电阻网络将交流信号转化为相应的直流电压。

在开关电源中，一个典型的运算放大器由四组的高频变压器组成。每组高频变压器包含两个相同的二端器件。每个二端器件都连接着一个三端稳压电源。

为了提高效率，许多现代运算放大器的结构包括三个的开关管。

除了作为功率源外，它们还用于控制其他电路。

由于大多数现代电子产品都是使用集成运放的，所以这里主要讨论的是集成运放的工作原理。

1、单极型双极型运放 单极型双极型运放在其应用中占主导。

2、互补推挽式运放 互补推挽式运放是一种常用的模拟集成电路。

3、差动式 差动式是两种基本类型的组合。

4、复合 复合是在上述三种基本类型的基础上发展起来的。

5、其它 诸如负反馈等其它技术也已被引入到各种不同的模拟系统中，以实现更高的性能。

运放，全称为运算放大器，是一种广泛应用于模拟电路和数字电路中的非线性集成电路。它的主要功能是对输入信号进行放大处理，同时具有高输入阻抗、低输出阻抗、宽带宽等特点。运放在电子电路中起着至关重要的作用，是许多电路设计的基础。本文将对运放的工作原理、虚短与虚断进行详细解析。

一、运放的工作原理

运放的基本结构包括一个差分输入级、一个增益级和一个输出级。差分输入级的主要作用是将输入信号进行差分放大，增益级则对差分放大后的信号进行进一步放大，输出级将放大后的信号转换为单端输出。运放的工作过程可以分为以下几个阶段：

差分输入级：运放有两个输入端，分别为正输入端(+)和负输入端(-)。当输入信号加在这两个端口时，差分输入级的晶体管会对两个输入信号进行差分放大。由于差分放大的特性，运放对共模信号具有很强的抑制能力，只对差分信号进行放大。

增益级：差分放大后的信号进入增益级，增益级由多个晶体管组成，可以实现对信号的进一步放大。增益级的设计决定了运放的放大倍数，通常用增益带宽积(GBW)来衡量。增益带宽积越大，运放的频带宽度越宽，性能越好。

输出级：放大后的信号经过输出级转换为单端输出。输出级通常采用推挽式输出或源极跟随式输出结构，以实现高输出阻抗和低输出阻抗的转换。输出级的设计和选择对运放的性能有很大影响。

二、虚短与虚断

在运放工作过程中，存在两个重要的概念：虚短和虚断。这两个概念是分析运放电路的关键，有助于简化运放电路的分析过程。

虚短：虚短是指运放的正输入端和负输入端之间的电压近似为0。这是因为运放的差分输入级具有很高的输入阻抗，使得两个输入端的电流非常小，因此电压降也非常小。在运放工作过程中，虚短是一个基本假设，有助于简化运放电路的分析过程。

虚断：虚断是指运放的输入端口与地之间的电阻近似为无穷大。这是因为运放的差分输入级具有很高的输入阻抗，使得输入端口与地之间的电流非常小，因此电阻非常大。在运放工作过程中，虚断是一个基本假设，有助于简化运放电路的分析过程。

三、虚短与虚断的应用

虚短和虚断是分析运放电路的重要工具，可以帮助我们快速理解运放电路的工作原理。以下是虚短和虚断在运放电路分析中的应用实例：

1.反相放大器：反相放大器是运放最基本的应用之一，其电路结构非常简单。在反相放大器中，输入信号通过电阻连接到运放的负输入端，输出信号通过电阻连接到运放的负输入端。根据虚短和虚断的概念，我们可以得出以下结论：

(1)由于虚短的存在，运放的正输入端和负输入端之间的电压近似为0，因此输出信号与输入信号相反;

(2)由于虚断的存在，运放的输入端口与地之间的电阻近似为无穷大，因此输入信号对输出信号的影响非常小;

(3)由于运放的高增益特性，反相放大器可以实现对输入信号的放大处理。

2.非反相放大器：非反相放大器是另一种常见的运放应用电路。在非反相放大器中，输入信号通过电阻连接到运放的正输入端和负输入端，输出信号通过电阻连接到运放的正输入端。根据虚短和虚断的概念，我们可以得出以下结论：

(1)由于虚短的存在，运放的正输入端和负输入端之间的电压近似为0，因此输出信号与输入信号相同;

(2)由于虚断的存在，运放的输入端口与地之间的电阻近似为无穷大，因此输入信号对输出信号的影响非常小;

(3)由于运放的高增益特性，非反相放大器可以实现对输入信号的放大处理。

总之，运放是一种非常重要的电子器件，广泛应用于各种模拟电路和数字电路中。了解运放的工作原理、虚短与虚断的概念及其应用，对于分析和设计运放电路具有重要意义。随着电子技术的不断发展，运放的性能将会越来越优越，应用领域也将会更加广泛。

运算放大器简称运放，由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。主要是用在模拟电路中，比如放大器、比较器、模拟运算器，是电子工程师经常要用到的器件。运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。

而随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。要想更好用好运放，透彻地了解运算放大器工作原理是必须的。

一、运算放大器工作原理是什么?

运算放大器(Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP)是一种直流耦合﹐差模(差动模式)输入、通常为单端输出(Differential-in, single-ended output)的高增益(gain)电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的运算放大器如图1-1。一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。

运算放大器工作原理

最基本的运算放大器

通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端(inverting input node)连接，形成一负反馈(negative feedback)组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈(positive feedback)，相反地，在很多需要产生震荡讯号的系统中，正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。

运算放大器工作原理

图1-2开环回路运算放大器

开环回路运算放大器如图1-2，当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时，其输出与输入电压的关系式如下： Vout = ( V+ -V-) * Aog 其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益(open-loop differential gai由于运算放大器的开环回路增益非常高，因此就算输入端的差动讯号很小，仍然会让输出讯号「饱和」(saturation)，导致非线性的失真出现。因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中，少数的例外是用运算放大器做比较器(comparator)，比较器的输出通常为逻辑准位元的「0」与「1」。

闭环负反馈

将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入讯号进入放大器的端点，又可分为反相(inverting)放大器与非反相(non-inverting)放大器两种。 反相闭环放大器如图1-3。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端为虚接地(virtual ground)，其输出与输入电压的关系式如下： Vout = -(Rf / Rin) * Vin

运算放大器工作原理什么非反相闭环放大器如图1-4。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端电压差几乎为零，其输出与输入电压的关系式如下： Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin

图1-4非反相闭环放大器

闭环正回馈

将运算放大器的正向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在正回馈的状况，由于正回馈组态工作于一极不稳定的状态，多应用于需要产生震荡讯号的应用中。