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介紹
運(yùn)算放大器或“運(yùn)算放大器”有 5 個(gè)主要連接：
VS+ 和 VS- 稱為電源軌，為運(yùn)算放大器供電。從概念上講，VOUT可以輸出VS+和VS-之間任意電壓；實(shí)際上，它被限制為略小于 VS+/大于 VS-，具體取決于特定的運(yùn)算放大器和負(fù)載（從運(yùn)算放大器汲取多少電流）。這是由于內(nèi)部晶體管上的電壓降造成的。
V+ 和 V- 是運(yùn)算放大器的輸入，并且是差分的，這意味著運(yùn)算放大器根據(jù)這兩個(gè)輸入之間的值差進(jìn)行工作。顧名思義，運(yùn)算放大器在將差分輸入傳遞到輸出之前將其放大（倍增）。乘法值或增益非常高——大多數(shù)運(yùn)算放大器約為 100,000 倍——但是可以使用一些技術(shù)使運(yùn)算放大器具有更合理的增益（例如 2 倍或 10 倍），正如我們將在下面看到的部分。V+也稱為同相輸入，V-也稱為反相輸入。
比較器是一種比較兩個(gè)模擬電壓，然后根據(jù)電壓較高者產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)字輸出（高或低、1 或 0、真或假）的設(shè)備。換句話說(shuō)，比較器回答了以下問(wèn)題：V+ 是否高于 V-？
在上面的示例中，我們將運(yùn)算放大器的正電源連接到 +5V，將負(fù)電源連接到 0V (GND)。V- 由分壓器（電阻器 R1 和 R2）提供 +2.5V 參考電壓。運(yùn)算放大器提出這樣的問(wèn)題：V+ 是否大于 2.5V？
當(dāng) V+（黃色跡線）高于 2.5V（紅色跡線）時(shí)，輸出（綠色跡線）變高/真 (+5V)，當(dāng) V- 低于 2.5V 時(shí)，輸出變低/假 (0V/GND) 。
通過(guò)改變 V- 的值，我們可以改變問(wèn)題 – 例如，V+ 是否大于 1V？
緩沖區(qū)
運(yùn)算放大器輸入具有高阻抗，這意味著它們不會(huì)消耗相對(duì)較多的電流。當(dāng)提供給運(yùn)算放大器的源信號(hào)也是高阻抗時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要，這意味著它不能提供太多電流，否則，當(dāng)運(yùn)算放大器或負(fù)載汲取的電流拉低電壓時(shí)，信號(hào)會(huì)失真。
在上面的示例中，負(fù)載的輸入是高阻抗的（1k 電阻限制可以提供的電流）。因此，信號(hào)（黃色跡線）在到達(dá)負(fù)載時(shí)嚴(yán)重失真（綠色跡線）。
通過(guò)將運(yùn)算放大器的輸出反饋回 V-，我們可以為運(yùn)算放大器提供 1（單位）的增益（乘數(shù)），并且運(yùn)算放大器將從其電源軌（低阻抗）提供額外的電流。
由于構(gòu)成運(yùn)算放大器的內(nèi)部組件上存在壓降，我們發(fā)現(xiàn)在該負(fù)載下，它可以在輸出端提供最大約 2.5V 的電壓，我們可以通過(guò)在正電源上為運(yùn)算放大器提供 +9V 來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題:
通過(guò)在緩沖器配置中使用運(yùn)算放大器，并為其提供足夠的功率/電壓，我們可以將高阻抗源轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出。
要了解緩沖區(qū)配置的工作機(jī)制，請(qǐng)考慮以下 3 個(gè)場(chǎng)景（請(qǐng)記住輸出和 V- 是鏈接的）：
V+ > V-。運(yùn)算放大器將差值倍增并增加輸出電壓，從而也增加 V- 處的電壓并減小差分輸入的大小。
V+ < V-。運(yùn)算放大器將差值倍增并降低輸出電壓，從而也降低了 V- 處的電壓，并再次減小了差分輸入的大小。
V+=V-。運(yùn)算放大器輸出保持不變。
正差分輸出
負(fù)差分輸出
零差分輸出
我們可以看到，運(yùn)算放大器始終會(huì)調(diào)整輸出/V-以減少差分輸入，直到輸出與V+輸入匹配并穩(wěn)定。另一個(gè)術(shù)語(yǔ)是輸出跟蹤 V+ 輸入。
最后，我們討論運(yùn)算放大器的同名實(shí)現(xiàn)——實(shí)際放大。通過(guò)縮放 V- 輸入的反饋，我們可以在輸出上獲得除 1 之外的增益（乘數(shù)）。
在上面的例子中，我們有一個(gè)以 2.5V 為中心的 0.5V 1kHz 正弦波輸入。請(qǐng)注意，我們還再次向正極電源提供 +9V。分壓器上有一個(gè) 1:1 的比率，反饋到 V- 輸入，導(dǎo)致增益為 2。輸出可能并不完全符合您的預(yù)期，因?yàn)樗?5V 為中心，但從技術(shù)上講，這是正確 - 所有電壓均已乘以 2。2.5V 中心變?yōu)?5V，3V 峰值變?yōu)?6V，2V 谷值變?yōu)?4V（2V-3V 之間的 1V 峰峰值幅度乘以 2V 峰峰值幅度在4V-6V之間）。
如果我們想選擇 2.5V 作為放大的中心（或偏移）電壓，那么我們必須將增益反饋參考為 +2.5V（如有必要，可能由單獨(dú)的緩沖運(yùn)算放大器提供）：
現(xiàn)在我們的峰值為 3.5V，谷值為 1.5V，這仍然給出 2V 的峰峰值幅度（因此增益為 2x）。
當(dāng)然，我們還可以通過(guò)向運(yùn)算放大器的負(fù)電源軌提供負(fù)電壓（當(dāng)然還向 V+ 輸入提供以 0V 為中心的輸入信號(hào)）來(lái)使輸入和輸出以 0V 為中心：
通過(guò)改變反饋分壓器的比率，我們可以改變?cè)鲆?，例如下面?3:1 分壓器會(huì)產(chǎn)生 4 倍增益：
帶遲滯的比較器（施密特觸發(fā)器）
滯后現(xiàn)象可以描述為不愿改變。遲滯本質(zhì)上是說(shuō)，一旦我改變了，就需要一些說(shuō)服才能讓我再次改變。當(dāng)輸入徘徊在閾值附近時(shí)，這對(duì)于防止輸出翻轉(zhuǎn)（快速變化）非常有用。例如，我們可能有一個(gè)風(fēng)扇，當(dāng)溫度高于 30°C 時(shí)，風(fēng)扇就會(huì)打開(kāi)；我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，一旦風(fēng)扇打開(kāi)，溫度就會(huì)降至 30°C 以下（例如 29.99°C），導(dǎo)致風(fēng)扇再次關(guān)閉 – 一旦風(fēng)扇關(guān)閉，溫度就會(huì)回升再次升至30°C，風(fēng)扇再次開(kāi)啟。這個(gè)循環(huán)可能會(huì)非常快速地重復(fù)，這可能會(huì)損壞風(fēng)扇電機(jī)，并惹惱附近的任何人。向該系統(tǒng)添加遲滯意味著這樣的說(shuō)法：當(dāng)溫度達(dá)到 31°C 時(shí)風(fēng)扇打開(kāi)，但直到溫度降至 29°C 以下之前它可能不會(huì)再次關(guān)閉。
通過(guò)將輸出反饋回 V+ 輸入，可以將遲滯添加到比較器運(yùn)算放大器配置中：
在這種情況下，我們可以看到輸出在 2.5V 閾值之后猶豫不決，直到輸入又超過(guò)它大約 1V。
通過(guò)向輸入添加一些噪聲，我們可以看到滯后的用處：
在上述電路中，當(dāng)噪聲輸入超過(guò)閾值時(shí)，輸出會(huì)快速打開(kāi)和關(guān)閉。
添加遲滯后，我們得到了一個(gè)干凈的單開(kāi)關(guān)：
運(yùn)算放大器規(guī)格
當(dāng)然，有許多不同型號(hào)的運(yùn)算放大器可供選擇，其規(guī)格和成本各不相同。一些規(guī)格包括運(yùn)算放大器對(duì)輸入變化的反應(yīng)速度（帶寬，這將決定運(yùn)算放大器可以處理的最大頻率）、運(yùn)算放大器可以工作的最大電壓、輸出與電源電壓的匹配程度（軌），運(yùn)算放大器可以輸出多少電流，等等；供應(yīng)商網(wǎng)站上的參數(shù)搜索和數(shù)據(jù)表檢查將有助于為特定應(yīng)用選擇正確的運(yùn)算放大器。
結(jié)論
運(yùn)算放大器是模擬信號(hào)處理電路中的重要組成部分，也可在數(shù)字應(yīng)用中用作比較器。
審核編輯：黃飛
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