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title: 运算放大器 (Op-Amp)
url: https://doc.liz6.com/hardware/04-analog-circuits/02-operational-amplifier-op-amp
locale: zh
area: hardware
tags:
- hardware
- 模拟电路
date: 2026-06-30
modified: 2026-06-30
description: 运算放大器 (Op-Amp) 基本概念 运算放大器 — 高增益差分放大器，最初用于模拟计算机进行数学运算（加法、积分等），现在是最通用的模拟 IC。 --- 理想运放特性 两条黄金法则 理想 vs 实际 | 参数 | 理想 | 实际 (LM358) | 实际 (NE5532) | |------|------|----…
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# 运算放大器 (Op-Amp)

## 基本概念

**运算放大器** — 高增益差分放大器，最初用于模拟计算机进行数学运算（加法、积分等），现在是最通用的模拟 IC。

```
符号:
      V+  ──┤+        ┌── Vout
             │  ────
      V-  ──┤- 

或:
         ┌──────┐
  V- ────┤-     │
         │   ───┼── Vout
  V+ ────┤+     │
         └──────┘
```

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## 理想运放特性

### 两条黄金法则
```
1. 输入端不吸入电流:  Iin+ = Iin- = 0
   (输入阻抗 = ∞)

2. 虚短 (Virtual Short):
   有负反馈时, V+ = V-
   (开环增益 Ao = ∞, 迫使差模电压 → 0)
```

### 理想 vs 实际
| 参数 | 理想 | 实际 (LM358) | 实际 (NE5532) |
|------|------|-------------|---------------|
| 开环增益 Ao | ∞ | 100dB | 100dB |
| 输入阻抗 Rin | ∞ | 1MΩ | 300kΩ |
| 输出阻抗 Rout | 0 | 几十Ω | 0.5Ω |
| 带宽 BW | ∞ | 1MHz (GBW) | 10MHz |
| 输入偏置电流 | 0 | 45nA | 200nA |
| 输入失调电压 | 0 | 2mV | 0.5mV |

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## 基本电路

### 反相放大器
```
        Rf
    ┌──┤├─────┐
    │         │
Rin │    ┌────┤
Vin─┤├───┤-   │
         │ ───┼── Vout
GND ─────┤+   │
         └────┘

Av = -Rf / Rin
Rin_eff = Rin  (输入阻抗 = Rin)

例: Rin=10k, Rf=100k → Av = -10
```

### 同相放大器
```
    ┌──────────┐
    │    ┌─────┤
Vin─┼────┤+    │
    │    │ ───┼── Vout
    │    ├-    │
    │   ┌┴┐   │
    │   │R2   │
    │   └┬┘   │
    │    ├────┘
    │   ┌┴┐
    │   │R1
    │   └┬┘
    │    │
   GND  GND

Av = 1 + R2/R1
Rin = 运放输入阻抗 (极高，MΩ级)
```

### 电压跟随器 (Buffer)
```
Vin ────┤+ 
         │ ───┬── Vout
         ├-    │
         └─────┘

Av = 1 (Vout = Vin)
用途: 阻抗变换 — 高阻源驱动低阻负载
```

### 差分放大器
```
          R2
    ┌───┤├─────┐
    │          │
R1  │    ┌─────┤
V1─┤├────┤-    │
         │ ───┼── Vout
V2─┤├────┤+    │
    R3   └─────┘
    │
    R4
    │
   GND

若 R1=R3, R2=R4:
Vout = (R2/R1) × (V2 - V1)

这是仪表放大器的基础
```

### 积分器
```
         C
    ┌────┤├────┐
    │          │
    R    ┌─────┤
Vin─┤├───┤-    │
         │ ───┼── Vout
GND ─────┤+    │
         └─────┘

Vout = -(1/RC) × ∫Vin dt

用于: 波形产生、斜坡发生器、PID 控制
```

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## 非理想特性

### 输入失调电压 (Vos)
```
运放输入端短路时，输出不为零。
等效于输入端的微小电压源 (~mV)。

影响: 高增益电路输出饱和
解决: 选低 VOS 运放 或 用调零电路
```

### 压摆率 (Slew Rate)
```
输出变化的最大速率 (V/μs)

SR = dVout/dt(max)

若信号变化快于 SR → 波形失真 (三角波化)
例: LM358 SR=0.5V/μs → 20kHz 正弦波最大幅度 = SR/(2πf) = 4Vpp
    NE5532 SR=9V/μs → 足够音频
```

### 增益带宽积 (GBW)
```
GBW = 开环增益 × 带宽 (常数)

例: LM358 GBW=1MHz
    若 Av=100 → BW = GBW/Av = 10kHz
    若 Av=1  → BW = 1MHz

增益越高，带宽越窄!
```

### 输入输出摆幅
```
老式运放 (LM358): 输出只能到 Vcc-1.5V
轨到轨 (RRIO): 输入和输出都能到电源轨
  选型时根据需求选择
```

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## 常见型号

| 型号 | 通道 | 特点 | 应用 |
|------|------|------|------|
| LM358 | 双 | 便宜、单电源、慢 | 通用低速 |
| TL072 | 双 | JFET输入、低噪声 | 音频 |
| NE5532 | 双 | 极低噪声、驱动强 | 专业音频 |
| LM324 | 四 | 4路LM358 | 多路低速 |
| OPA2134 | 双 | 高保真音频 | HiFi |
| MCP6002 | 双 | RRIO、低功耗 | 电池供电 |

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## 使用注意

1. **电源去耦**: 0.1μF 陶瓷电容靠近电源引脚
2. **输入共模范围**: 不要超出允许范围
3. **避免浮空输入**: 未用运放接成跟随器
4. **反馈回路**: 确保稳定，必要时加补偿电容
5. **单电源偏置**: 单电源时需创建虚拟地 (通常 Vcc/2)

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*关键词: 运放, 反相放大器, 同相放大器, 虚短, GBW, 压摆率, 失调电压*