理想运算放大器的工作原理

由于运算放大器的增益极高，所以不能在两输入端之间加上输入信号，而一定要用作反馈放大器。这种运算放大器基本上可分为图 2 － 9 所示的非倒相放大电路和图 2 － 10 所示的倒相放大电路两类。

(a) 非倒相放大电路

首先，我们来讨论非倒相放大电路。设 IN+ 端和 IN －端的电压分别为 和 ，并认为运算放大器的增益无限大，则为要获得有限的输出电压，则 = 。这点则是运算放大器工作中的一大特征。在此前提下，分析电路工作就能变得十分简单。根据此特征，输入与输出的关系为：

(b) 倒相放大电路

下面我们来分析倒相放大电路。 = ，这点是与非倒相放大电路情况相同的， 所以 =0V 。这样，尽管有输入信号，然而 端处为 0V 。恰似接地，所以被叫做假想接地。于是，若讨论流经 、 的电流 I ，由于运算放大器的输入电流为 0 ，则

据此，可得出输入与输出的关系

可见，非倒相放大器和倒相放大电路，是从对应于输入，其输出是否倒向这一事实出发而得名的。

(c) 差分放大电路

如图 2 － 11 所示，可将两个这种放大电路组合成差分放大电路。 端的电压 由 和 分压而得

流经 和 的电流 I 为

由上述两式可得

其中，如设 ＝ ， ＝ ，则

即差分放大器能够获得 和 之差成正比的输出。

实际的运算放大器

以上所述是均是理想的运算放大器的情况。实际上，运算放大器的增益不可能无限大，有电流向 、 端子流入（或流出），并且其电流不一定相等。即使在无信号时， 、 之间也有一定的电压。

(a) 输入偏置电流()的影响

如果运算放大器的输入级由晶体管构成，要使电路能正常工作，应有偏置电流（基极电流）流过。该输入偏置电流流经反馈电阻时，会产生压降，从而造成输出误差。

在图 2 － 12 电路中，尽管无输入，但是在输出端也会出现位移电压 。此 为：

由于 ，设 ＝ // ( 与 并联的值 ) ，则 ＝ 0 ，输入偏流的影响消失。并且，采取 C 耦合，将电容器与 串连时，若设 ，则 ＝ 0 。

对于采用场效应管构成输入级的运算放大器，由于输入偏流几乎可以忽略不计，不必产生过去的顾虑。但是，由于采用场效应管输入的运算放大器来讲，如果温度上升 10 摄氏度 ，则输入偏流将增高两倍，因此，这种运算放大器必须避免在高温情况下使用。

(b) 输入位移电流（ ）的影响

在前项中，设 端、 端的输入偏流 、 相等，但实际上二者之间多少有些不同， 与 之差被叫做输入位移电流。

当设定常数，而使输入偏流不致产生影响时，因输入位移电流 所造成的输出位移电压 为： ＝ .

它与 与 无关，于是对于通过双极型输入运算放大器来讲， 的上限值为 100 ，希望 值更大时，应使用场效应管输入运算放大器。

(c) 输入位移电压（ ）的影响

在造成输出误差的原因中，有输入偏流，输入位移电流，还有输入位移电压。

如图 2 － 13 所示，虽然没有信号，然而工作时宛如在输入端加上了 的电压。因此，在输出端出现了增益倍数的 电压。这与输入偏流和输入位移电流不同，不能通过电阻值得设定来减小其影响。

因此，对单运算放大器来讲，一般具有片位移电压调节端子，如图 2 － 14 所示，接入可变电阻，可以将位移调整为 0 。

(3) 参数的设定

现在来分析图 2 － 15 所示的非倒相放大电路。以此电路制作增益 10 （ 20dB ）的放大电路时，增益 为：

因此， 与 、 的绝对值无关，可有其比值决定。

•  当反馈电阻过小时

现设 、 ，计算出 ＝ 10 。那么在实际使用运算放大器，采用上述电阻值时，看看是否能获得增益为 10 的放大电路。

回答是否定的。其原因在于，对于运算放大器来讲， 是负载，若 出现振幅，则与此对应的电流将流经 、 。一般的运算放大器的输出电流不超过 20mA 。若按此计算， 仅会出现在振幅为 200mV 左右的信号（图 2 － 16 ）

并且，由于开环增益大大下降，不仅得不到必要的增益（这里为 10 ），而且失真率也大大增加了。

•  反馈电阻过大时

那么设 、 ，情况又将如何呢？这样一来，前述情况不存在了。此时，无论增益，还是振幅均可获得需要的数值。

然而，现在又会出现其他的问题。流经 端子的输入偏流的影响不能完全忽略不计， 出现输出位移，最坏的情况下输出将出现饱和现象。

寄生电容的影响也不能忽视，当信号频率增高时，增益将失常，电阻引起的热噪声的影响增加，输出噪声会增加。

•  反馈电阻适当的范围

如上所述， 、 的值存在着一个适当的区域，这个区域通常为几百欧至几千欧。通常，选取 为几千欧至几十千欧（图 2 － 15 ）

这一电阻范围不仅使用于非倒相放大电路，而且对于倒相放大电路或差分放大电路也是适用的。但是，在这种情况下，从输出端到 端之间的反馈电阻值（图 2 － 10 的 、图 2 － 11 的 ）应在几千欧以上。