运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。这种放大器早期是应用于模拟计算机中，用以实现数字运算，故得名“运算放大器”。实际上，这种放大器可以应用于很多的电子产品之中。

从结构上讲，运算放大器是一个具有放大功能的电路单元，将这个电路单元集成在一起，独立封装，便构成了我们常见的以集成电路的结构形式出现的运算放大器。

图9-27所示为典型运算放大器的实物外形。

图9-27 典型运算放大器的实物外形

【资料】

μA741、LF356为单运放集成电路；LM358为双运放集成电路，内部集成了2个独立的运算放大器；LM324、LM339为四运放集成电路，内部集成了4个独立的运算放大器。

1.运算放大器的电路结构

运算放大器简称集成运放，是一种集成化的、高增益的多级直接耦合放大器。运算放大器作为一种通用电子器件，其内部由多种不同的基本电子元件和半导体器件按照一定的电路关系连接、集成后形成。图9-28所示为运算放大器的图形符号及内部结构。

图9-28 运算放大器的图形符号及内部结构

标准的运算放大器的内部电路，从功能上来说，是由三种放大器组成的，即差动放大器、电压放大器和推挽式放大器，三种放大器集成在一起并封装成集成电路形式，如图9-29所示。

图9-29 运算放大器的基本构成

【资料】

输入级差动放大器是接收微弱电信号、消除零点漂移并具有增益的关键级：中间级电压放大器主要是用于提供足够高的电压放大倍数：输出级推挽式放大器是提供一定幅度的电流和电压输出，并具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗。

运算放大器有两个输入端，因此输入信号有三种不同的接入方式，即反相输入、同相输入和差动输入。无论哪种输入方式，反馈网络都是接在反相输入端和输出端之间。

（1）反相输入接法

图9-30所示为运算放大器的反相输入接法，也称为反相比例放大电路。输入信号通过电阻器R₁接到反相输入端；反馈电阻器R₂接在输出端与反相输入端之间，构成电压并联负反馈；同相端通过电阻器R₃接到地，R₃为输入平衡电阻器，其作用是使两个输入端外接电阻相等，为此R₃=R₁//R₂。

图9-30 运算放大器的反相输入接法

【资料】

运算放大器本身不吸收电流，即I_i=0，则I₁=12，并且可以推导出U。=U_h，此时有U_a=U_b=0，因而可分别求出I₁和I₂，即

因此，o。

从而可得闭环电压放大倍数A_uf：

A_uf=U_o/U_s=-R₂/R₁可见，输出电压U_o与输入电阻U_s成比例关系，负号表示相位相反。

（2）同相输入接法

图9-31所示为运算放大器的同相输入接法，也称为同相比例放大电路。信号由同相端加入，反馈电阻器R₂接到反相输入端；同时反相端和同相端各接一电阻器R₁和R₃到地，且为了满足平衡条件，要求R₃=R₁//R₂。由于反馈信号不是接在同一输入端，所以属电压串联负反馈。

图9-31 运算放大器的同相输入接法

【资料】

根据前面所学，有

由图可知：

从而可得同相输入下的闭环电压放大倍数：

上式表明，输出电压与输入电压同样正比例关系，且输出与输入相位相同。

如果令R₂=0，则有

（3）差动输入接法

图9-32所示为运算放大器的差动输入接法。信号U_S1通过电阻器R₁接到反相输入端，U_S2通过电阻器R₄接到同相输入端，反馈信号仍是接到反相输入端。为了满足平衡条件，通常使R₁=R₄、R₂=R₃。

(www.daowen.com)

图9-32 运算放大器的差动输入接法

【资料】

由于运放不吸收电流．因而有

而U_a=U_b，所以：

故：

根据I₁=I₂，可解得

如果满足R₁=R₄，R₂=R₃上式可简化为

可见，差动输入时，其输出电压与两输入电压之差成比例。

2.运算放大器的典型应用

运算放大器与外部元器件相配合可以制成交直流放大器、高频/低频放大器、正弦波或方波振荡器、高通/低通/带通滤波器、限幅器和电压比较器等，在放大、振荡、电压比较、模拟运算、有源滤波等各种电子电路中得到了越来越广泛的应用。

（1）由运算放大器构成的运算电路

①加法运算电路。加法运算电路一般采用反相输入方式，即反相加法运算电路。它是在反相输入运算放大电路的基础上，将要相加的信号电压通过电阻器接到运放的反相输入端。

图9-33所示为具有三个输入信号的反相加法运算电路。

图9-33 具有三个输入信号的反相加法运算电路

【资料】

输入信号U_l1、U_l2U₁₃均从反相输入端N输入：R_F为反馈电阻器：同相输入端P经平衡电阻器R₄接地，平衡电阻器R₄的电阻值应为R₁、R₂、R₃与R₄的并联之和。加法运算器的输出电压等于各输入电压之和，这种结构就可实现多个输入信号的加法运算。

②减法运算电路。减法运算电路又称为差动输入运算电路，对共模信号有抑制作用，因此减法运算电路不仅可以进行信号的减法运算，还可以用于放大含有共模干扰的信号。图9-34所示为减法运算电路。

图9-34 减法运算电路

【资料】

输入信号U₁₁通过R₁加到运算放大器的反相输入端；U₁₂通过R₂、R₃分压后加到同相输入端；而Uo通过R_F反馈到反相输入端；为了使运放两输入端平衡，则R₁∥R_F=R₂//R₃。减法运算器的输出电压等于两个输入电压之差，这样就实现了两个输入信号的减法运算。

（2）由运算放大器构成的实用放大和振荡电路

图9-35所示为由运算放大器LM386构成的各种实用放大和振荡电路，改变电路中一些元器件的参数即可组成不同种类的实用电路。

（3）由运算放大器构成的电压比较器

由运算放大器构成的电压比较器是通过两个输入端电压值（或信号）的比较结果决定输出端状态的一种放大器件。该类型电压比较器转换速度较慢，输出电压不能满足逻辑电平的要求，只适用于转换速度要求不高的场合。在转换速度要求较高的场合，应选用专用的集成电压比较器。

电压比较器常应用于信号幅度的比较、信号幅度的选择、波形变换和整形等方面。其中，信号幅度的比较就是将一个模拟量的电压信号（比较信号）和一个基准电压相比较，如图9-36所示。

图9-35 由运算放大器LM386构成的各种实用放大和振荡电路

图9-36 信号幅度比较电路

提问

由运算放大器构成的电压比较器是如何进行比较的，输出结果有什么规律？

回答

当电压比较器的同相输入端电压高于反相输入端电压时．输出高电平：当反相输入端电压高于同相输入端电压时，输出低电平．如图9-37所示，、

图9-37 电压比较器的功能特点