运算放大器或“Op Amps”有 五 个主要的部分：

VS+ 和 VS- 称为电源轨，为运算放大器供电。从概念上讲，VOUT 可以输出介于 VS+ 和 VS- 之间的任何电压;在实践中，它被限制为略小于VS +/大于VS-，具体取决于特定的运算放大器和负载（从运算放大器汲取多少电流）。这是由于内部晶体管上的电压降。

V+和V-是运算放大器的输入端，是差分输入端，即运算放大器根据这两个输入端的差值工作。顾名思义，运算放大器对差分输入进行放大（倍增），然后将其传递到输出端。大多数运算放大器的倍增值或增益都非常高，约为100,000倍，但我们可以使用一些技术使运算放大器具有更合理的增益（例如2倍或10倍），我们将在下面的章节中看到这一点。V+也称为同相输入，V-为反相输入。

比较器

比较器是一种比较两个模拟电压，然后根据哪个电压较高的电压产生二进制数字输出（高或低，1或0，真或假）的器件。换句话说，比较器回答了这个问题：V+高于V-吗？

在上例中，我们将运算放大器的正极电源连接到+5V，负极电源连接到0V（接地）。V-由分压器（电阻R1和R2）提供+2.5V基准电压。运算放大器提出的问题是：V+是否大于2.5V？

当V+（黄色迹线）高于2.5V（红色迹线）时，输出（绿色迹线）变为高电平/真（+5V），当V-低于2.5V时，输出变为低电平/假电平（0V/GND）。

通过更改 V- 处的值，我们可以更改问题 – 例如，V+ 是否大于 1V？

缓冲器

运算放大器的输入是高阻抗的，这意味着它们不会消耗相对较大的电流。当提供给运算放大器的源信号也是高阻抗时，这一点尤为重要，这意味着它不能提供很大的电流，否则信号会失真，因为运算放大器或负载的电流会将电压拉低。

在上面的例子中，负载的输入是高阻抗的（1k电阻限制可以提供的电流）。结果，信号（黄色迹线）在到达负载时严重失真（绿色迹线）。

通过将运算放大器的输出反馈回V-，我们可以使运算放大器的增益（乘数）达到1（单位），运算放大器将从其电源轨（低阻抗）提供额外的电流。

由于构成运算放大器的内部元件上的压降，我们可以看到，在这种负载下，运算放大器的输出电压最高为2.5V，但是我们可以通过为运算放大器正极供电+9V来解决这个问题：

通过在缓冲配置中使用运算放大器，并为其提供足够的功率/电压，我们可以将高阻抗源转换为低阻抗输出。

为了解缓冲器配置的工作机制，请考虑以下三种情况（请记住输出和V-相连）：

正差分输出：V+ > V-。运算放大器乘以差分并增加输出电压，从而增加V-处的电压并减小差分输入的大小。

负差分输出：V+ < V-。运算放大器使差值成倍并降低输出电压，从而也降低了V-处的电压，并再次减小了差分输入的尺寸。

零差分输出：V+ = V-。运算放大器输出保持不变。

我们可以看到，运算放大器将始终调整输出/V-，以减少差分输入，直到输出与 V+ 输入相匹配并保持稳定。另一种说法是输出跟踪 V+ 输入。

放大器

最后，我们来看看运算放大器的同名实现——实际放大。通过将反馈缩放到 V- 输入，我们可以在输出上获得 1 以外的增益（倍增）。

在上面的例子中，我们有一个0.5V 1kHz正弦波输入，其中心电压为2.5V。请注意，我们还再次为正电源提供+9V电压。分压器上的比率为1：1，反馈到V-输入，增益为2。输出可能不完全符合您的预期，因为它以 5V 为中心，但从技术上讲，这是正确的——所有电压都乘以 2。2.5V中心变为5V，3V峰值变为6V，2V波谷变为4V（2V-3V之间的1V峰峰值幅度乘以4V-6V之间的2V峰峰值幅度）。

如果我们要选择2.5V作为放大的中心电压（或偏移电压），那么我们必须将增益反馈电压参考至+2.5V（必要时可由单独的缓冲运算放大器提供）：

现在我们的峰值为3.5V，波谷为1.5V，这仍然提供2V的峰峰值幅度（因此增益为2倍）。

当然，我们也可以通过向运算放大器的负电源轨提供负电压（当然也可以向V+输入端提供以0V为中心的输入信号），实现以0V为中心的输入和输出：

通过改变反馈分压器的比率，我们可以改变增益，例如下面的3:1分压器可以获得4倍增益：

带磁滞的比较器（施密特触发器）

滞后可以描述为不愿改变。滞后本质上是说，一旦我改变了，就需要说服我再次改变。当输入在阈值附近徘徊时，这对于防止输出翻转（快速变化）非常有用。例如，我们可能有一个风扇，当温度高于30°C时打开；我们可能会发现，风扇一打开，温度就下降到30°C以下（例如29.99°C），导致风扇再次关闭。风扇一关闭，温度又回升到30°C，风扇再次打开。

这个循环可能会非常迅速地重复，这既可能损坏风扇电机，又会让附近的任何人感到烦恼。向该系统添加滞后意味着：当温度达到 31°C 时风扇打开，但在温度降至 29°C 以下之前可能不会再次关闭。

通过将输出反馈回 V+ 输入，可将磁滞添加到比较运算放大器配置中：

在这种情况下，我们可以看到输出在2.5V阈值之后迟迟不发生变化，直到输入再超出约1V。

通过在输入中添加一些噪声，我们可以看到磁滞的作用：

在上述电路中，当噪声输入超过阈值时，输出会快速打开和关闭。

加上磁滞后，我们就得到了一个简洁的单开关：

运算放大器规格

当然，有许多不同型号的运算放大器可供选择，其规格和成本各不相同。其中一些规格包括运算放大器对输入变化的反应速度（带宽，这将决定运算放大器可处理的最高频率）、运算放大器可工作的最高电压、输出与电源电压（轨）的匹配程度、运算放大器可输出的电流大小等；在供应商网站上进行参数搜索和数据表检查，将有助于为特定应用选择正确的运算放大器。

小结

运算放大器是模拟信号处理电路的重要组成部分，在数字应用中也可用作比较器。Proteus为设计和测试运算放大器电路提供了大量工具和示例设计，包括基于图形的静态分析和实时交互仿真。741 噪声分析示例的特点是，741 运算放大器完全取自集成电路的内部元件，因此可以进行更详细的分析。

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