【专题6：mcu硬件电路设计】 之 【25.运算放大器详解3 - 运算放大器的结构】
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1.运算放大器的放大原理
2.原理
有一个信号是2mV，我们需要将它放大到10mV。如果直接接一个运放，那么1mV经过运放之后，输出端可能直接饱和，因为运放的放大倍数太大，很小的信号经过放大之后就可能达到饱和，即达到运放的供电电压。
所以在工程应用中，还需要再加一个负反馈电路。
若运放的供电电压为5V，即饱和电压为5V；当输入信号是1mV时，输出信号电压已经为5V了，即达到了饱和，要使运放的输出端输出10mV的电压，那么就需要将5V-10mV的电压通过反馈网络送回到输入端(反馈到输入端的信号会和输入端本来就要输入的信号产生作用/中和，再输入到运放)，这时运放就输出了一个10mV的电压。
因此，运算只是单纯的起一个放大的作用，而运放的输出电压(放大电压)是由反馈电路决定的。反馈电路一般由电阻组成，电阻组成的网络比电容或电感组成的网络更稳定。
思考：
既然只是将一个1mV的电压放大到10mV，为什么不直接使用电阻分压或使用三极管简单的进行放大，而是需要使用运放呢？
因为运行虽然只是将1mV的电压放大到10mV(到底放大到多少，是由反馈网络决定)，但是该10mV电压的驱动电流非常大，并且由于运放的输出极是一个推挽电路，所以输出的电压也比较稳定；因为运放有这么多的好处，所以一般都直接使用运放+反馈电阻网络来放大微弱信号。
注：
因为通过运放放大的信号的能量/电压绝大部分都是通过负反馈回到了输入端，而真正留在运放输出端作为输出的信号能量/电压很少，所以称这种电路为深度负反馈放大电路。(深度的就是指：将绝大部分能量返回到了输入端，因为是绝大部分，所以是深度)。
3.虚短和虚断
(1)输入运放的信号比较小，可以体现为流入运放的电流很小或加在运放输入端的电压很小。理想情况下输入的电压信号或电流信号接近为0(因为输出电压或电流的绝大部分都通过反馈网络回到了输入端，并和输入端电压或电流进行中和，导致了输入信号接近为0)；所以相当于运放输入端直接断路，称为虚断。
(2)由于虚断，即等效为输入端有一个无穷大的电阻，而运放本身是由半导体元器件做成的，即有一个内阻(两个输入端之间的电阻)，但该内阻相对于无穷大的电阻来说，直接等效为短路，即运放内部被短路。
注意：
虚断和虚短都是假想出来的，实际是没有短路或断路，只是为了工程中方便计算而已。
总结：
运放的放大倍数是无穷的，通过负反馈电阻网络可以将大部分输出电流或电压反馈回输入端和输入信号中和(可以这样理解)，只留下需要的在输出端即可；通过计算反馈电阻网络的阻值，即可以计算出运放+反馈电阻之后真正的放大倍数是多少，从而实现了我们所需要的输出信号。
4.电流反馈和电压反馈的判断方法
令输出电压为0，若反馈量随之为0，则为电压反馈；若反馈量依然存在，则为电流反馈。
图一：
Uo接地时，输入信号可以经过反馈电阻R2，即反馈量依然存在，所以为电流反馈。电流反馈最大的特点：如果是电流反馈，说明输入信号是电流。
图二：
没有反馈网络，不构成反馈电路。
5.深度负反馈运放电路有四种组织形态
5.1.电压串联负反馈电路
电压输入，电压输出，称为电压串联负反馈电路。
(1)第一个名词电压，指的是输出；第二个名词串联，指的是输入，因为只有电压才能串联，所以输入信号是电压。(并联表示电流输入，串联表示电压输入)。
(2)实际电路图
(3)分析
b点输出的是一个电压信号，输出电压信号和R2、R1到地产生一个回路，即会函数一个电流；当电流流过R1时，在R1两端会产生一个上正下负的电压，即a是正电压，该电压会和输入运放的负极电压信号进行串联。所以这是一个电压输入，电压输出形态的放大电路。
5.2.电压并联负反馈电路
电流输入，电压输出。
5.3.电流串联负反馈电路
电流输入，电流输出。
分析：
运放输出的是电流信号，当输出电流增大，则流过R1的电流也会增大，即电阻R1两端的电压会增大，从而使输入运放的电压减小(因为反馈是接在负输入端的，所以反馈电压会使负端电压升高，即输入正端和负端之间的压差减小)，运放输出也会接着减小，维持稳定。
5.4.电流串联负反馈电路
电压输入，电流输出。
注：
输入部分看需要被放大的物理量是一个电流量还是一个电压量，再选择所需的输入形态，是用电流输入还是用电压输入。输出部分也一样，主要看后面的需求，后面需要什么就设计成什么。
6.工程应用中运算放大器常用的组织形态
6.1.说明
(1)当运放是正负电源供电时，如果输入信号接在运放负输入端，若信号为负，则运放输出就为负；若信号为正，则运放输出就会负。
(2)如果信号接在运放的正输入端，若信号为正，则运放输出为正；若信号为负，则运放输出为负。
(3)负反馈电路一定是接在负端的(输出增大，则负反馈的量增大，会使得负输入端电压/电流增大，进而使得正负输入端之间的电压差降低或是从而使流进运放的电流变小，从而达到负反馈的效果)。
(4)分析该类电路的大致步骤：第一分析电流的流向，第二虚断，第三虚短。
6.2.第一种：电压并联负反馈电路
输入信号接在运放的负端，电路分析步骤
- 第一步：分析电流流向
假设输入信号为正，则运放输出端c一定为负，，即电流的方向是：a---->反馈电阻Rf—>c；
- 第二步：根据虚短
运放的正负输入端短路，即b点等效于直接接地，故b点电压为0V；则Ia=Ui/R1；
If=(0-Uo)/Rf
- 第三步：根据虚断
IRf=IR1，即Ui/R1=-Uo/Rf
从而可以得出Uo和Ui的关系，Uo/Ui=-Rf/R1。
6.3.第二种：电压串联负反馈电路
输入信号接在运放的正端，电路分析步骤
- 第一步：分析电流流向
假设信号为正，则运放输出也为正。故电流方向为从右向左，即b–>a
- 第二步：根据虚短
a点电压等于c点电压，即Va=Ui，故IR1=Ui/R1。
IRf=(Uo-Ui)/Rf
- 第三步：根据虚断
IRf=IR1，即Ui/R1=(Uo-Ui)/Rf，从而可以得出Uo和Ui的关系。
7.运放的使用选型
7.1.运放的分类
(1)按速度：分为低速运放和高速运放。高速运放比较贵。
(2)按供电方式：单电源功能和双电源供电。如果系统需要负压，则可以使用单电源供电。
7.2.原理图符号
注：3引脚称为运放的正输入端或运放的同向输入端。
- 1引脚为输出端。
- 8引脚接电源正极
- 4引脚接电源负极或接负电源
7.3.选型–常用的运放
(1)运放有单个的，二合一的(将两个运放单独的集成在一起)或四合一的(将四个单独的运放集成在一起)。
(2)在低端的（速度不高）的双运放中，用的比较多的是LM358，它的价格低，只要几毛钱。如果要使用四路运放(四合一)，用的比较多的是LM324，价格在5毛钱左右。单运放，有LM721（中高速运放，价格较贵，一般要1到2元人名币），LM2772(中高速运放，将两个高速运放集成在一起，价格较贵)。
(3)LM358和LM2904的区别：能承受的温度不一样，LM358一般是75度，LM2904一般是150度，其它特性都一样。
(4)LM358 datasheet
- 单电源供电时，电压为+3V~+32V。
- 正负电源供电时，正电源要小于+16V（V正<+16V），负电源要大于-16V（V负>-16V）。