“操作”放大器

早在数字电子技术出现之前，计算机就被构建为通过使用电压和电流来表示数字量来进行电子计算。这对于模拟物理过程特别有用。例如，可变电压可能代表物理系统中的速度或力。通过使用电阻分压器和电压放大器，可以很容易地对这些信号进行除法和乘法运算。

微积分微分函数作为计算电容器电流的基础

电容器和电感器的电抗特性非常适合于与微积分函数相关的变量的模拟。记住通过电容器的电流如何是电压变化率的函数，以及该变化率如何在微积分中指定为导数 ?好吧，如果让电容器两端的电压代表物体的速度，那么通过电容器的电流将代表使该物体加速或减速所需的力，电容器的电容代表物体的质量：

这种微积分导数函数的模拟电子计算在技术上称为微分 em> ，它是电容器电流与施加在其上的电压的自然函数。请注意，该电路不需要像数字计算机那样“编程”来执行这种相对高级的数学函数。

与复杂的物理系统相比，电子电路的创建非常容易且成本低廉，因此这种模拟电子仿真被广泛用于机械系统的研究和开发。然而，对于真实的模拟，这些早期的计算机需要高精度和易于配置的放大器电路。

差分相对于单端放大器的优势

在模拟计算机设计过程中发现，具有极高电压增益的差分放大器比具有定制设计增益的单端放大器更能满足这些精度和可配置性要求。使用连接到高增益差分放大器的输入和输出的简单组件，实际上可以从电路中获得任何增益和任何功能，总体而言，无需调整或修改放大器本身的内部电路。这些高增益差分放大器后来被称为运算放大器 或运算放大器，因为它们在模拟计算机的数学运算中的应用。

运算放大器的一些特性

现代运算放大器，如流行的 741 型，是高性能、廉价的集成电路。它们的输入阻抗相当高，741 的输入吸收电流在半微安（最大值）范围内，而对于使用场效应输入晶体管的运算放大器则要少得多。输出阻抗通常非常低，741 型约为 75 Ω，并且许多型号具有内置输出短路保护，这意味着它们的输出可以直接短接到地，而不会损坏内部电路。通过运算放大器内部晶体管级之间的直接耦合，它们可以像放大交流一样放大直流信号（达到某些最大电压上升时间限制）。除非需要高功率能力，否则设计一个类似的分立晶体管放大器电路以匹配这种性能将花费更多的金钱和时间。由于这些原因，运算放大器在许多应用中几乎已经淘汰了分立晶体管信号放大器。

下图显示了安装在 8 引脚 DIP (D ual 我 nline P ackage)集成电路：

某些型号的运算放大器有两个封装，包括流行的型号 TL082 和 1458。它们被称为“双”单元，通常也采用 8 引脚 DIP 封装，具有以下引脚连接：

运算放大器也有四个封装，通常采用 14 针 DIP 排列。不幸的是，引脚分配对于这些“四路”运算放大器来说并不像“双路”或单路放大器那样标准。有关详细信息，请参阅制造商数据表。

实用的运算放大器电压增益在200,000或更多的范围内，这使得它们本身几乎无法用作模拟差分放大器。对于电压增益 (AV) 为 200,000 且最大输出电压摆幅为 +15V/-15V 的运算放大器，只需要 75 µV（微伏）的差分输入电压即可将其驱动至饱和或截止！在我们研究如何使用外部组件将增益降低到合理水平之前，让我们先研究一下“裸”运算放大器本身的应用。

比较器

一种应用程序称为比较器 .出于所有实际目的，我们可以说，如果 (+) 输入比 (-) 输入更正，运算放大器的输出将完全饱和，如果 (+) 输入更小，则饱和完全负比 (-) 输入。换句话说，运算放大器极高的电压增益使其可用作比较两个电压并在一个输入的幅度超过另一个输入时改变输出电压状态的设备。

在上面的电路中，我们连接了一个运算放大器作为比较器，将输入电压与电位器 (R1) 设置的参考电压进行比较。如果 Vin 降至 R1 设置的电压以下，运算放大器的输出将饱和至 +V，从而点亮 LED。否则，如果 Vin 高于参考电压，LED 将保持关闭状态。如果 Vin 是测量仪器产生的电压信号，则该比较器电路可用作“低”警报，其触发点由 R1 设置。运算放大器输出可以驱动继电器、晶体管、SCR 或任何其他能够将电源切换到负载（如电磁阀）的设备，而不是 LED，以在发生低报警时采取行动。

方波转换器

所示比较器电路的另一个应用是方波转换器。假设施加到反相 (-) 输入端的输入电压是交流正弦波，而不是稳定的直流电压。在这种情况下，只要输入电压等于电位计产生的参考电压，输出电压就会在相反的饱和状态之间转换。结果将是一个方波：

对电位器设置的调整会改变施加到同相 (+) 输入的参考电压，这将改变正弦波交叉的点，改变开/关时间，或占空比 方波的：

很明显，交流输入电压不必特别是正弦波使该电路执行相同的功能。输入电压可以是三角波、锯齿波或任何其他类型的波，可以平滑地从正到负再到正。这种比较器电路对于创建不同占空比的方波非常有用。这种技术有时被称为脉宽调制 ，或 PWM（变化，或调制 根据控制信号的波形，在这种情况下是电位器产生的信号）。

条形图驱动

另一个比较器应用是条形图驱动程序。如果我们有几个运算放大器作为比较器连接，每个运算放大器都有自己的参考电压连接到反相输入端，但每个运算放大器都在其同相输入端监测相同的电压信号，我们可以构建一个条形图样式的仪表，例如常见的在立体声调谐器和图形均衡器的表面上可以看到。随着信号电压（代表无线电信号强度或音频声级）的增加，每个比较器将依次“打开”并向其各自的 LED 供电。随着每个比较器在不同级别的音频声音下“开启”，点亮的 LED 数量将指示信号的强度。

在上图所示的电路中，随着输入电压的增加，LED1首先亮起朝着积极的方向发展。随着输入电压的不断升高，其他LED依次点亮，直至全部点亮。

某些模数信号转换器（即闪存转换器）中使用了完全相同的技术 , 将一个模拟信号量转换成一系列代表数字的开/关电压。

评论：

• 三角形是放大器电路的通用符号，宽端表示输入，窄端表示输出。
• 除非另有说明，所有 放大器电路中的电压参考公共地 点，通常连接到电源的一个端子。这样，我们就可以说在单根导线上有一定量的电压，同时意识到电压总是在两点之间测量。
• 差分放大器 是一种放大电压差 两个信号输入之间。在这样的电路中，一个输入趋向于将输出电压驱动到与输入信号相同的极性，而另一个输入则正好相反。因此，第一个输入被称为同相 (+) 输入，第二个被称为反相 (-) 输入。
• 运算放大器 （或简称运算放大器）是一种具有极高电压增益（AV =200,000 或更高）的差分放大器。它的名字来源于它最初用于模拟计算机电路（执行数学运算）。
• 运算放大器通常具有非常高的输入阻抗和相当低的输出阻抗。
• 有时将运算放大器用作信号比较器 ，在完全截止或饱和模式下运行，具体取决于哪个输入（反相或同相）具有最大电压。比较器可用于检测“大于”信号条件（将一个与另一个进行比较）。
• 一种比较器应用称为脉宽调制器 ，并且是通过将正弦波交流信号与直流参考电压进行比较而得出的。随着直流参考电压的调整，比较器的方波输出改变其占空比（正对负时间）。因此，直流参考电压控制或调制 输出电压的脉冲宽度。

相关工作表：

• 基本运算放大器工作表