负面反馈

如果我们将运算放大器的输出连接到它的反相输入并将电压信号施加到同相输入，我们会发现运算放大器的输出电压紧跟该输入电压（我忽略了功率为简单起见，电源、+V/-V 线和接地符号）：

随着 Vin 增加，Vout 将根据差分增益增加。然而，随着 Vout 的增加，该输出电压被反馈到反相输入端，从而降低输入之间的电压差，从而降低输出。对于任何给定的电压输入会发生什么，运算放大器将输出一个非常接近于 Vin 的电压，但又足够低，以便 Vin 和 (-) 输入之间有足够的电压差被放大以产生输出电压。

电路将很快达到稳定点（称为平衡 在物理学中），其中输出电压恰到好处以保持适当的差分量。获取运算放大器的输出电压并将其耦合到反相输入是一种称为负反馈的技术 ，这是拥有自稳定系统的关键（这不仅适用于运算放大器，而且适用于一般的任何动态系统）。这种稳定性使运算放大器能够在其线性（有源）模式下工作，而不是像用作比较器时那样完全“开”或“关”完全饱和，完全没有反馈。

由于运算放大器的增益非常高，反相输入端的电压可以保持几乎等于 Vin。我们可以写出一个将输出电压与输入电压和增益相关联的方程，G :

$$V_{out} =G · (V_{in} - V_{out})$$

然后，求解输出电压，我们得到以下内容：

$$V_{out} =\frac{V_{in}}{1 + (\frac{1}{G})}$$

假设我们的运算放大器的差分电压增益为 200,000 并且 Vin 等于 6 V，我们可以使用我们的公式计算输出电压：

$$V_{out} =\frac{6}{1 + (\frac{1}{20,000})} =5.999700015 V$$

这会产生刚好足够的差分电压 (6 V - 5.99997000015 V =29.99985 µV) 以在输出端子上产生 5.99997000015 伏特，并且系统在那里保持平衡。如您所见，29.99985 µV 并不是很多差分，因此在实际计算中，我们可以假设两条输入线之间的差分电压由负反馈精确保持在 0 伏。

运算放大器负反馈的优势

使用带负反馈的运算放大器的一大优势是运算放大器的实际电压增益并不重要，只要它非常大即可。如果运算放大器的差分增益为 250,000 而不是 200,000，则意味着输出电压将保持更接近 Vin（输入之间产生所需输出所需的差分电压更少）。在刚刚说明的电路中，输出电压仍然（出于所有实际目的）等于同相输入电压。因此，运算放大器增益不必由工厂精确设置，以便电路设计人员构建具有精确增益的放大器电路。负反馈使系统自我纠正。上述电路作为一个整体将简单地跟随输入电压，稳定增益为 1。

运算放大器中的电路如何工作？

回到我们的差分放大器模型，我们可以将运算放大器视为一个由极其灵敏的零检测器控制的可变电压源 ，电桥电路中用于检测平衡状态（零伏）的一种仪表运动或其他敏感测量设备。运算放大器内部产生可变电压的“电位器”将移动到它必须“平衡”反相和同相输入电压的任何位置，以便“零检测器”两端的电压为零：

由于“电位计”将移动以提供满足“零伏检测器”所需的输出电压，因此输出电压等于输入电压：在这种情况下，为 6 伏。如果输入电压发生变化，运算放大器内部的“电位器”将改变位置以保持“零位检测器”的平衡（指示零伏），从而导致输出电压始终近似等于输入电压。

这将在运算放大器可以输出的电压范围内成立。使用 +15V/-15V 的电源，以及可以将其输出电压摆动的理想放大器，它将忠实地“跟随”+15 伏和 -15 伏限制之间的输入电压。因此，上述电路被称为电压跟随器 .与其单晶体管对应物，共集电极（“发射极跟随器”）放大器一样，它具有 1 的电压增益、高输入阻抗、低输出阻抗和高电流增益。电压跟随器也称为电压缓冲器 , 用于提高太弱（源阻抗太高）的电压信号的电流源能力，无法直接驱动负载。上图所示的运算放大器模型描述了输出电压如何与输入电压基本隔离，因此输出引脚上的电流根本不是由输入电压源提供，而是由为运算供电的电源提供-amp。

应该提到的是，许多运算放大器无法将其输出电压精确地摆动到 +V/-V 电源轨电压。 741 型是不能做到的：当饱和时，其输出电压在 +V 电源电压的大约 1 伏和 -V 电源电压的大约 2 伏内达到峰值。因此，使用 +15/-15 伏的分离电源，741 运算放大器的输出可能高达 +14 伏或低至 -13 伏（大约），但仅此而已。这是由于其双极晶体管设计。这两个电压限制被称为正饱和电压 和负饱和电压 ， 分别。其他运算放大器，例如在最终输出级带有场效应晶体管的 3130 型，能够将其输出电压在任一电源轨的毫伏范围内摆动 电压。因此，它们的正负饱和电压实际上等于电源电压。

评论：

• 将运算放大器的输出连接到其反相 (-) 输入称为负反馈 .该术语可以广泛应用于任何动态系统，其中输出信号以某种方式“反馈”到输入以达到平衡点（平衡）。
• 当运算放大器的输出直接 连接到它的反相 (-) 输入，一个 电压跟随器 将被创建。无论在同相 (+) 输入端施加何种信号电压，都将在输出端看到。
• 具有负反馈的运算放大器会尝试将其输出电压驱动到任何必要的水平，以便两个输入之间的差分电压实际上为零。运算放大器差分增益越高，差分电压就越接近于零。
• 某些运算放大器在饱和时无法产生与其电源电压相等的输出电压。 741 型就是其中之一。运算放大器输出电压摆幅的上限和下限称为正饱和电压 和负饱和电压 , 分别。

相关工作表：

• 负反馈运算放大器电路工作表