運算放大器

運算放大器（op-amp）是一種具有高增益差分放大器，具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。運算放大器通常用於提供電壓幅度變化、振盪器、濾波器電路等。一個運算放大器可能包含多個差分放大器級以實現非常高的電壓增益。

這是一種使用輸出和輸入之間直接耦合的高增益差分放大器。它適用於直流和交流操作。除了各種數學運算外，運算放大器還執行許多電子功能，例如儀表裝置、訊號發生器、有源濾波器等。這種多功能器件也用於許多非線性應用，例如電壓比較器、模數轉換器和數模轉換器、對數放大器、非線性函式發生器等。

基本差分放大器

下圖顯示了一個基本差分放大器：

在上圖中：

• V_DI = 差分輸入

• V_DI = V₁ – V₂

• V_DO = 差分輸出

• V_DO = V_C1 - V_C2

該放大器放大兩個輸入訊號V₁和V₂之間的差值。

差分電壓增益：

$$A_d = \frac{V_{DO}}{V_{DI}}$$

以及

$$A_d = \frac{(V_{C1} - V_{C2})}{V_{DI}}$$

如下圖所示，基本運算放大器由三個級組成：

輸入級

這是第一級，具有以下特性：

• 高共模抑制比 (CMRR)
• 高輸入阻抗
• 寬頻寬
• 低（直流）輸入失調

這些是運算放大器效能的一些重要特性。該級由差分放大器級組成，電晶體的偏置使其充當恆流源。恆流源極大地提高了差分放大器的CMRR。

以下是差分放大器的兩個輸入：

• V₁ = 非反相輸入
• V₂ = 反相輸入

中間級

這是第二級，設計用於獲得更好的電壓和電流增益。需要電流增益來提供足夠的電流來驅動輸出級，在該級產生大部分運算放大器的功率。該級由一個或多個差分放大器、一個射極跟隨器和一個直流電平轉換級組成。電平轉換電路使放大器能夠具有兩個差分輸入和一個單輸出。

輸出級

這是運算放大器的最後一級，設計為具有低輸出阻抗。這提供了驅動負載所需的電流。隨著負載的變化，或多或少的電流將從輸出級汲取。因此，至關重要的是前一級在不受輸出負載影響的情況下工作。透過設計該級使其具有高輸入阻抗和高電流增益，但輸出阻抗低，可以滿足這一要求。

運算放大器有兩個輸入：非反相輸入和反相輸入。

上圖顯示了反相型運算放大器。施加在反相輸入端的訊號被放大，但是輸出訊號與輸入訊號相位相差180度。施加在非反相輸入端的訊號被放大，輸出訊號與輸入訊號同相。

運算放大器可以連線到大量的電路中以提供各種工作特性。