基础知识：反相输入端和运算放大器的应用范围

图9-73 运算放大器的电路框图

运算放大器（缩写为OpAmp或OP）是利用集成技术以尺寸小、用途多的方式制成集成电路的。

使用与应用范围。在控制与调节技术中用作理论值、实际值比较器的调节器，而在测量技术中用作有大输入内电阻的测量放大器。另外，在触发电路数字技术中，用作A-D转换器和阀值开关以及用作NF前级、末级放大器以及恒定电流与恒定电压发生器。

运算放大器的结构。运算放大器是由多个直接耦合的放大级组成的。如图9-73所示，输入级常为一个差频放大器，驱动级是一个电压放大器，而末级多是一个推挽放大器。

输放大器的工作原理。如图9-74所示，在差频放大级中，采用正、负工作电压，两个晶体管从一个共用的恒定电流源获得发射极电流。晶体管的工作点应在U₁=0时，发射极电流I₁和I₂以及集电极电流应相同，于是U_A=0。施加在K₁的E₁上是一个正偏电压U₁₁，K₁导电较多，因此流过K₂的电流少，I₁大，而I₂成比例的减小，I₁+I₂的和为一个常数。K₂的集电极多为正偏。正的输入电压U₁₁导致一个负的输出电压U_A。当经过具有正输入信号U₁₂的E₂控制K₂时，则K₂集电极的电位为负值，于是在差频放大器的输出形成一个正的电压U_A。差频放大器的后面是驱动放大器和末级放大器。

运算放大器的接线。输入端E₁由于引起了电压的极性变化，所以称为反相输入端。它在电路图中标有一个“-”符号，而非反相的输入端E2标有“+”符号，如图9-75所示。在输出与公共接线（地）之间测得的输出电压U₂是在±2V和±18V之间的两个工作电压。通常对于放大器的电路图形符号只需标出输入和输出。

图9-74 差频放大器（输入级）的原理图

图9-75 电路图形符号

表9-31 运算放大器的特征值（与型号有关）

图9-76 运算放大器的控制特性曲线

运算放大器的特征值。运算放大器几乎有理想的放大性能，它不仅可以放大直流电压，而且也可以放大交流电压。如图9-74所示，一个正的输入电压U₁₁（U₁₁＞U₁₂）在运算放大器的输出产生一个负的输出电压U₂；相反，负的输入电压会产生正的输出电压。如图9-76所示，运算放大器的放大特性可由其控制特性曲线表达出来。运算放大器在低于-0.15mV和高于+0.15mV的差分输入电压时已经处于饱和。在此两值之间，运算放大器为线性放大。低于或高于控制范围，运算放大器为过控制，并且在输出端提供接近+U_b或-U_b的电压。

零电压补偿（漂移补偿）。无补偿措施的运算放大器尽管输入电压差U_1D=0，而其输出电压多是不准确为零的。输出电压是由于晶体管的不同电流放大系数的不对称而形成的。如图9-77所示，通过一个补偿电阻R_T经过输入漂移电压把输出平衡到U₂=0V。对于现代的双极金属氧化物半导体运算放大器CA3140，其输入误差电压最大为5mV，且可以用一个100kΩ的电位器进行补偿。型号为CA3140的运算放大器有一个金属氧化物半导体场效应晶体管输入级和一个双极的输出级（表9-32）。图9-78所示的CA3140运算放大器封装及引脚布局与图9-77所示的μA741运算放大器相同，因此它们之间可以直接替代。

图9-77 有漂移补偿的μA741运算放大器

图9-78 CA3140的封装及引脚布局

表9-32 CA3140（可补偿金属氧化物半导体）特征值

图9-79 反相放大器

有外部接线的运算放大器。如果要把高电压放大系数降低到所需要的放大值，明智的做法是把运算放大器作为放大器来使用。通过外接一个电阻器和电容器，可以使运算放大器与几乎每个所希望的功能与放大相匹配。

如图9-79所示，如果把部分输出电压通过一条接线输送回输入便形成一个反馈。(www.xing528.com)

反馈式运算放大器：

式中 V——电压放大系数；

U_a——输出电压；

U_e——输入电压；

R_k——反馈电阻；

R_e——输入端电阻。

存在一个反馈，（如反相运算放大器），则有反相信号。实现同相反馈，则应存在一个正反馈（如施密封触发器）。

反相放大器（倒相放大器）。图9-79所示的反相运算放大器经耦合电阻R_k处理反馈或反相输入正的输入电压U_e使之输入电压差提升到U_1D。U_1D随电压V₀放大而放大。负的输出电压U_a以相应的提升速度快速提高（U_a的提升速度在0.5～600V/μs），而U_1D经电阻Rk而降低。U_a增加直至U_1D实际上为零为止，运算放大器得以调整。

为了计算有反馈的运算极大器电路，则有以下两条重要的规定：

•差分输入电压U_1D≈0V。

•输入静止电流小得可以忽略，I≈0A。

由于差分输入电压U_1D≈0V，具有电流和点S（虚地点）的输入端E₁实际上是处于同相的输入端E₂的相同的电位上，因此，有I_k+I_e=0或I_k=-I_e。把Ik=U_a/Rk和I_e=U_e/R_e代入放大系数计算公式，可由电阻比R_k/R_e得出放大系数V。

图9-80所示的同相放大器有一个10MΩ的很大的输入电阻和一个0.1Ω的非常小的输出电阻。输入电压与输出电压为同相。因此，同相放大器可很好的用于测量放大器。在图9-80所示的电路中（有近似值U_1D≈0和I₁≈0），分压器对总电压U_a和分电压U_e由于电阻R_k和R_Q而未加负载。因此有：

对于同相放大器：

因I₁=0，所以I_k=IQ

由于 I_k=IQ

所以

因而

式中 R_Q——并联阻抗；

R_k——反馈电阻；

U_e——输入电压；

U_a——输出电压。

图9-80 同相的放大器