运算放大器是一种高增益的直流耦合电压放大器，其本质是一个多级放大电路。它通过外部反馈网络配置，可实现放大、滤波、比较、积分等多种功能。典型的运算放大器具有两个差分输入端（同相输入端“+”和反相输入端“-”）和一个输出端。

运算放大器的内部通常由三级电路组成：

差分输入级：接收差分信号并抑制共模干扰。

中间增益级：提供高电压放大倍数（通常达数万至百万倍）。

输出级：降低输出阻抗，提升带负载能力。

理想运算放大器的关键特性

为了简化分析，工程师通常基于理想运放模型进行电路设计。理想运放具有以下特性：

无限大开环增益（A_OL→∞）：输出电压与输入差分电压成正比。

无限大输入阻抗（Z_in→∞）：输入端不吸收电流。

零输出阻抗（Z_out→0）：输出电压不受负载影响。

无限大带宽：无频率响应限制。

零失调电压（V_os→0）：输入为零时输出也为零。

基于这些特性，可推导出两条黄金法则：

虚短（Virtual Short）：两输入端电压相等（V₊ = V_-）。

虚断（Virtual Open）：输入端无电流流入（I₊ = I_- = 0）。

典型应用电路分析

1. 反相放大器

电路特点：输入信号通过电阻R1接入反相端，反馈电阻Rf连接输出端与反相端。

2. 同相放大器

电路特点：输入信号直接接入同相端，反馈网络仍连接反相端。

3. 电压跟随器

电路特点：输出端直接反馈至反相端，构成100%负反馈。

运算放大器的应用场景

信号调理：如传感器信号放大、滤波。

有源滤波器：设计低通、高通、带通等滤波器。

比较器与振荡器：用于阈值检测和波形生成。

数学运算电路：实现加减、积分、微分等运算。

运算放大器的核心在于通过负反馈将高开环增益“驯化”为可控的闭环特性。理解其基本原理后，工程师可通过灵活配置外部元件实现千变万化的功能。

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