摘要：  运算放大器是模拟系统的主要构件，可提供增益、缓冲、滤波、混频和多种数学功能。在系统示意图中，运算放大器使用带五个连接(正电源、负电源、正输入、负输入及输出，如图1所示)的三角形来表示。电源引脚用于给元件供电。例如，可将其连接至±5V，或者在有特殊考虑时连接至+10V和地。

关键字：  运算放大器，  模拟系统，  主要构件，  正电源

运算放大器是模拟系统的主要构件，可提供增益、缓冲、滤波、混频和多种数学功能。在系统示意图中，运算放大器使用带五个连接(正电源、负电源、正输入、负输入及输出，如图1所示)的三角形来表示。电源引脚用于给元件供电。例如，可将其连接至±5V，或者在有特殊考虑时连接至+10V和地。输出和输入之间的关系简单明了：

Vout=A(Vin+–Vin-)

即输出电压等于放大器的增益(A)乘以输入电压之差。

很多工程师根本就不需要知道运算放大器内部究竟发生了什么事情。你想知道吗?运算放大器包含四个基本部分：偏置电路、2:1电路级、增益电路级和缓冲级(参见图2)。这四个级可被组合到一些运算放大器中，但这四个功能是基本功能。

图1：运算放大器公共输入/输出引脚。

图2：运算放大器的四个内部构件。

偏置电路部分

偏置电路部分为其他三个部分提供所需的所有电压和电流。当你深入研究该部分电路时，会发现许多诸如带隙电路和电流镜的电路。带隙电路是提供恒定电压的小电路。虽然这看起来并不难实现，但即使在电源电压改变或温度发生变化时，电压也必须保持恒定。这些影响可能超出你的想象，所以必须予以考虑并将其抵消掉。

电流镜获得给定电流并予以复制，供其他电路使用。通过调整晶体管的尺寸或平行放置多个电流镜，可对这些电流的大小进行恰当地调整。这一强大技术允许运算放大器设计人员调整每一级的输入电流大小。偏置电路部分常常只消耗总电流中的很小一部分，而缓冲级则消耗掉大部分电流来驱动输出负载。

2:1电路部分

由于运算放大器有两个输入和一个输出，因此其内部的某个位置必须有一个2:1电路级。这个位置可能非常接近输入，或者在信号通路的后部。在最简单的情况下，执行该动作的电路被称为差分对。一个差分对是连接至一个公共电流源的两个晶体管(如图3所示)。该电路的操作与玩跷跷板游戏非常类似。在玩跷跷板时，任何一侧都能调整平衡。假设我在某一侧，你在另一侧，那么，我这一侧升高，将会使你那一侧下降。而如果我这一侧下降，你那一侧就会升高。如果我们将跷跷板每一侧的高度与流经差分对每一侧电流的大小关联起来，就能明白其中的道理了。这样，非反相输入端控制电路的一侧，反相输入端控制电路的另一侧。输入电压较大的一侧，其电流也较大。

图3：一个简单的2:1级。

那么让我们想一想，如果两侧的电压相同，会出现什么情况呢?不要忘记刚才跷跷板的例子。如果你和我在跷跷板的两侧施加相同的压力(重量)，谁的一侧会更高?当然谁也不比谁高!两侧的高度是相同的。如果我们同时施加更大压力会出现什么情况?如果我们施加的压力大小相同，那么跷跷板会保持平衡。能让跷跷板运动的唯一方法是我们俩中有一人比另一人施加的压力更大。从另一个角度来看就是，跷跷板只对压力差有反应。这正是差分对输入(以及运算放大器输入)的工作方式。

2:1功能的实现可能比你想象的要容易。图3所示的差分电路中有两个输入和两个输出。而2:1电路只有一个输出。让我们忽略其中的一个输出。虽然看似比较鲁莽，但这种做法并不鲜见。如果你想让电流折回并汇合到一起，还可以在未使用的一侧添加额外的晶体管，但这并不是必需的。这完全取决于你的优化目的。例如，如果是为了优化空间或更简单，那么就不需要添加额外的电路。

这个部分的关键参数是失调电压。回到跷跷板的例子，如果我在我这一侧加一把舒适的椅子会出现什么情况?为了使跷跷板平衡，你就需要向你那一侧(没有椅子)增加压力/重量。晶体管的情况也是一样。如果组成差分对的两个晶体管的尺寸或形状不完全相同，那么就会发生电压失调。尽管设计人员尽可能地设计完全相同的晶体管，但其努力可能会受到可用空间乃至集成电路制造设备的结构的限制。

增益部分

增益意味着输出大于输入。用一个基本的财务例子来比喻就是，如果你的投资增加，你就会有更多的钱。如果你的投资下降，你就会损失金钱。既然运算放大器的主要作用是提供增益，那么这就相当于元件中的“旗舰”部分。在理想运算放大器中，增益可以达到无穷大。这意味着输入电压的最微小差异也会导致输出的激增或激降。幸运的是，电源会限制输出能够达到的程度，因此，输出不会达到数千或数万伏特(正向或负向)。在最简单的情况下，增益功能可由一个晶体管来提供。既然一个晶体管就能提供所需的增益，为什么还要用多个晶体管来组成运算放大器呢?单个晶体管具有一个输入和一个输出，而运算放大器需要两个平衡的输入和比单个晶体管所能提供的更大的增益。

由于这一部分电路具有最大的增益量，因此它也需要包含补偿电路。运算放大器中的补偿电路是为了提高电路的稳定性。更直观地来说：

如果增益很大，小输入信号也会导致非常大的输出信号。同样，如果输入电压从零变到一个很小的值，输出可能会从零变到很大。增益越大或者输入变化越快，我们就需要更快的输出响应。快速电路需要更多的控制。试想驾驶速度达200mph的赛车需要多少反馈和支持。可能需要一整班的人马。再试想一下驾驶高尔夫球车需要什么。驾驶高尔夫球车会容易得多，需要的技术也少得多。从这个比方回到电路上，赛车需要大量的补偿来使之稳定(以防碰撞)，而高尔夫球车需要的补偿就非常的少(如果需要的话)。运算放大器中的补偿采取电容的形式(如图2所示)，电容被连接在增益级的输入和输出之间。

缓冲级

缓冲级承担两个重要功能。首先，它保护增益电路，防止其受到可能连接到输出的任何东西的影响。其次，它驱动负载。这意味着它提供使负载获得正确输出电压所需的电流。缓冲级不提供增益，这意味着输入电压和输出电压的大小相同。但它能够提供更多的电流，这些电流将转化为更大的功率。这就像在美国军 队中受训一样。一位上校也许在战斗中身手不凡，但如果他能把这些技能传授给整个营队，那么团队的战斗力就会大增。这非常类似于缓冲电路的行为。输出借助更大电流的力量尽其所能地跟踪输入，使整个电路非常强大。

输出级具有很多不同类型：A、AB、B、C，按字母表还能数出更多。A类是最简单的类型，线性度最高，但耗电也最多。B类和C类是相关的，它们分别从输出信号中切除掉不同的部分，以便针对导通晶体管所需的偏移量进行调整。还有许多其他的输出级电路。其中一些包括变压电路，一些采用传输线路，一些采用时钟信号。所有电路都是针对具体应用而优化的。如果你想深入了解，有大量信息可供参考。

将四个构件结合起来

因此，我们可把运算放大器定义为赛车上的一个跷跷板，后面跟着一个由偏置电路部分支持的军营。(我不建议把这个想法印在 T 恤上或者将其与你所在公司的技术同事分享)。运算放大器是一种独特的器件，它提供了许多奇妙的功能。均衡的输入为支持反馈创造了极好的条件。反馈使得我们可以控制增益，用它来交换带宽和性能并实现稳定系统。

这四个构件使运算放大器成为模拟行业的支柱。不管你是使用5个还是500个晶体管，对这些内部电路的认识和了解都有助于你找到新的方法来使用最好的模拟构件：运算放大器。