为什么在模拟电子产品中经常使用运算放大器？

我已经在几本书和论文中读到了以下观察结果：“运放是模拟电子产品的基础”，或“ ...运放是模拟电路中最常见的构建模块...”这种效果。

尽管我的经验不够广泛，无法同意或反驳这一主张，但我所见的电路肯定可以证明这一点。

这让我觉得我缺少基本的东西，来解释为什么这样的组件可能像编程中的“ for”循环之类的东西，或者某种基本的模式，一旦可用，就可以找到广泛应用。

模拟电子器件的基本本质是什么，它使运算放大器能够实现这种基本且通用的模式？

运算放大器非常接近理想的差分放大器。因此，真正的问题是，放大器的最大优点是什么？至少有三个答案。

首先，显而易见的是，放大器使您可以更改信号的幅度。如果信号较小（例如，来自换能器），则可以使用放大器将其电压提高到有用的水平。放大器还可以减小信号的幅度，例如，将信号适合于ADC的范围可能很有用。

放大器还可以缓冲信号。它们在输入侧呈现高阻抗，在输出侧呈现低阻抗。这允许将较弱的源信号传递到重负载。

最后，负反馈使放大器能够过滤信号。所谓的有源滤波器（使用放大器）比无源滤波器（仅使用电阻器，电容器和电感器）更加灵活和强大。我还应该提到振荡器，它是使用带滤波正反馈的放大器制成的。

幅度控制，缓冲和滤波是您对模拟信号最常见的三种操作。更一般而言，放大器可用于实现多种传递函数，这是信号处理任务的基本数学描述。因此，放大器无处不在。

为什么特别是运算放大器？正如我所说，运算放大器本质上是高质量的放大器。它们的主要特征是：

• 很高的差分增益（有时高达1,000,000！）
• 输入阻抗非常高（FET输入运算放大器在低频时为兆欧）
• 很高的共模抑制比（通常> 1000）

这些特性意味着放大器的性能几乎完全由反馈电路决定。反馈是通过无源元件（如电阻器）完成的，其性能要比晶体管好得多。尝试在电压和温度范围内模拟一个简单的公共发射极放大器-这不是很好。

随着集成电路的现代化改进，运算放大器变得便宜，高性能且容易获得。除非您需要极高的性能（高功率，非常高的频率），否则就没有太多理由使用分立晶体管放大器了。

运算放大器是三个5个基本工具合二为一（如果没有更多的话）。

• 首先是比较设备，例如if else语句(if a > b, output = a, else b)。

• 第二个缓冲区(in = 1, out = 1, refreshed)。

• 第三，放大器，如乘法器(in = 1, out = 10)。

• 第四，相移/延迟(in = x, out = x + 1)。

• 第五，逆变器(in = x, out = 1/x)。

它们往往用途广泛，并能够根据需要适应许多电路。

从根本上讲，当信号通过模拟分立元件进行处理时，其幅度（即电压）会下降。运算放大器可以缓冲和增强模拟信号，从而确保最终可读或有用。

顺便说一句，for循环将是一个计数器。十年计数器的工作就像一个for (i = 0, i < 10, i++)循环。

运算放大器的一些主要优点是

高输入阻抗：由于其高输入阻抗，运算放大器不会对前面的电路造成不适当的负载。运算放大器本身的输入阻抗可能为10或100吉欧。运算放大器的反馈电路可能具有较低的输入阻抗，但是运算放大器的高输入阻抗允许其完全由其他组件来设置。

低输出阻抗：由于其低输出阻抗，运算放大器电路通常可以驱动另一个运算放大器电路（或ADC或...），而负载不会影响其性能。

高增益：运算放大器的高增益使其可以在负反馈电路中使用，因此电路的行为主要由反馈元件而不是运算放大器决定。这意味着

1. 通常，反馈电路中只需要几个精密组件即可从整个电路中获得精确的性能。

2. 由于电路的行为由反馈电路控制，因此运算放大器可以与众多不同的反馈元件一起使用，以实现不同的功能，例如放大，微分，积分，对数放大等。（这可能是运算放大器的关键原因-amps具有这种“普遍应用”）。

我认为真正的答案比其他人提供的答案要简单得多（尽管它们的确是正确的）-运算放大器仅允许您构建更高级电路所需的所有“乐高积木”，请参阅https：//en.wikipedia有关更多详细信息，请参见.org / wiki / Operational_amplifier＃Applications。使用运算放大器，您可以获得（非详尽清单！）：

• 电压/电流缓冲器
• 比较器（即使有迟滞），
• 有源放大器（反相和同相），
• 理想二极管
• 有源滤波器（包括积分器/微分器应用程序），
• 有源整流器
• 活动的数学块（例如，求和，求差，合股，股利），
• 波形合成器（正方形，三角形，锯形，甚至VCO），
• DAC和ADC
• 阻抗转换器
• 回转器
• ...以及许多其他

这不仅是基本模拟处理可能需要的所有内容，而且其中某些内容对于数字处理也很整洁。因此，运算放大器是这里既有面包，黄油。

同样，您可以轻松地将一个或两个或4个它们装在一个带有公共电源线的小包装中，并且它们的工作特性（与许多实际应用中的理想器件相得益彰，并且也非常适合单个封装内的运算放大器） ）无需使用分立（二极管/ BJT / FET）模拟电路所需的麻烦（例如，偏置，电压降，温度补偿等），就可以使用它们-允许您设计更简单，精简和可维护的电路，并减少零件和更轻松的故障排除。

挑选一种特定的电子元件并称其为“面包和黄油”是愚蠢的，所有这些“最重要”的陈述也是如此。例如，对模拟电路中的电阻进行计数，我相信您会发现它们的数量远远超过运算放大器。

而且，情况发生了变化。曾经有一段时间，真空管是外行人愚蠢的模拟电子产品的“最重要”或“面包和黄油”组件，然后是晶体管。

您无需使用运算放大器，但它可能是实现特定规格电路的最有效方法。毕竟，运算放大器是由晶体管制成的，因此可以改用一堆晶体管（带有一些其他组件）。

运算放大器的吸引力在于它们体现了一个通用且易于使用的构造块。借助集成电路的魔力，这些构建模块有时可能达到单个晶体管的尺寸和成本。对于任何一种特定应用，任何一个运算放大器都可能过高，但是大规模生产的集成电路的巨大杠杆作用使得它们既便宜又小巧，因此当实际上只有很少的晶体管会使用整个运算放大器时，通常更便宜，更小。被需要。

要将类比与编程语言中的FOR循环一起使用，实际上不需要使用此构造。您可以自己使用显式代码初始化，递增和检查变量。有时，当您想做特殊的事情并且罐头的FOR构造过于僵化时，您会这样做。但是，在大多数情况下，将FOR构造用于循环更方便且出错更少。就像运算放大器一样，您可能不会在每种情况下都使用此罐装高级结构的所有功能，但其简单性还是值得的。例如，大多数语言都允许增量为1以外的值，但是您可能很少使用该增量。

与FOR构造不同，没有编译器可以优化离散电路中的运算放大器，使其仅能满足您在这种情况下所需的功能。但是，批量集成电路生产的巨大优势使这些功能的减少幅度小于FOR循环中的一些额外指令。可以将运算放大器更多地看作是在指令集中实现的功能齐全的FOR循环，无论是否使用简单的情况，它都使用相同的指令来执行是否使用其所有功能，并且比其他方式所用的指令要少。

运算放大器是一堆封装在一起的晶体管，它们构成了一个“不错的”构建块，并且仅需一个或几个这样的晶体管即可使用。这不仅节省了处理晶体管等的所有偏置的设计时间，而且制造技术可用于保证晶体管之间的良好匹配，并允许测量和修整更接近理想值的参数。例如，您可以使用两个晶体管制作一个差分前端，但是将输入失调电压降至几mV并非易事。

所有工程设计都基于在某个时候使用可用的构建块，而运算放大器是模拟电路的有用构建块。这与使用晶体管确实没有什么不同。精制硅，掺杂，切割，封装和测试它需要大量的处理，这在某种程度上被我们视为分立晶体管。运算放大器比单独的晶体管集成度更高，但在事物方案中仍处于“低”水平。

回到软件类比，这与使用现有子例程继续为特定应用程序编写代码相同。对于OS调用，您别无选择。这就像提炼自己的硅。运算放大器更像是您可以自己编写的便捷呼叫，但在大多数情况下这样做很愚蠢。例如，您可能不得不多次将整数转换为ASCII十进制字符串，但是您为此编写了自己的代码几次？您可能为此使用了运行时库调用，甚至调用了那些通过您的语言可用的更高层次的隐式构造（例如C语言中的printf）。

理想的运算放大器具有无限的输入阻抗，0失调，0输出阻抗，无限的带宽，成本为0美元。没有任何运算放大器是理想的，并且这些参数和其他参数在不同的设计中具有不同的相对重要性。这就是为什么有这么多运算放大器的原因。每个都针对不同的权衡进行了优化。例如，您有时会听到LM324是“ cr脚的”运算放大器。这根本不是真的。价格是重中之重时，这是最高级的运算放大器。当几个mV偏移，1 MHz增益*带宽等都足够好时，其他所有东西都只是价格过高的垃圾。

关于您的评论“这使我认为我缺少基本的东西，以解释为什么这样的组件可能像“ for”循环之类的东西”：

您可能会在电子学中寻找与计算机科学中的Turing Complete概念或布尔代数（以及数字逻辑）中的功能完整性概念类似的电子概念。

据我所知，在模拟电路中没有“完整性”的概念，所有电路都可以从一组基本构件中衍生出来。

学习系统理论，尤其是线性时间不变系统时，会遇到一些与模拟电路有关的规则。

希望对您有所帮助，但这可能不是您想要的。

在模拟和数字电子产品中，有很多情况都可以定义（但不能构建）理想的元件，然后设计电路，如果构建的元件在理想公差范围内，则可以满足要求。使用具有简化的理想行为的组件进行设计的推理通常比使用具有更复杂的实际行为的真实组件的设计推理要容易得多。

在许多情况下，有可能使用实际组件对设计进行建模，在设计的每个阶段为信号分配允许的公差，然后在给出指定公差范围内的任意输入组合时显示真实组件对于这些信号，将产生在这些信号指定的公差范围内的输出。在可能的情况下，公差值的这种分配通常会避免需要进行更详细的分析。

运算放大器之所以如此流行的原因之一是，在某种意义上说，运算放大器有一个明确的“理想行为”，而且很容易表征与该行为的某些偏差。如果假设差分放大器具有10：1的差分输入增益，则必须处理现实世界中某个部分的增益可能大于理想值或小于理想值的可能性。但是，由于理想的运算放大器的增益是无限的，因此，用于放大的实际运算放大器通常具有较低的增益[某些设备，尤其是打算用作比较器的设备，可能具有滞后现象，而滞后现象可能会被视为超出放大器的滞后。理想运算放大器]。推理仅能在一个方向上偏离理想状态的真实设备通常比推理能在两个方向上偏离的设备容易。

与数字组件相比，隔离，阻抗匹配，缩放，电平转换，提供大量电流和信号生成是运算放大器的常见应用。

研究运算放大器的基本配置，以了解它们为何在模拟设计中如此流行，尤其是在振荡器的作用和信号调理中。

多年前，我使用带增益的反相运算放大器来创建RS-232 / MIL-188C转换器，以使用运行自定义QuickBasic 4.0程序的基于386的PC来回收旧式AT＆T Model 40 Teletype的某些数据。

它们是数字信号处理的输入隔离和定标前端必不可少的，并且可以执行一些漂亮的任务，例如从电压到电流，或从频率到频率的转换。

我认为“面包和黄油”一词听起来是对角色的补充，运算放大器可以很好地扩展电路，每个电路都有其特长。

例如，它在控制和调节领域用作积分器和微分器，否则它们被称为高通和低通滤波器。

也可以使其处于稳定的振荡状态，因为它们的输出在很大程度上被放大器的增益放大，仅需使用较小的输入信号，就可以使用正反馈来设置运算放大器的振荡，最好的例子是施密特触发器，然后可以使用因此，它们形成了双稳态和单稳态振荡器之类的电路，从而进一步在555定时器中起到了补充作用。

比较器利用其公共电压模式，实际上运算放大器在其输入处具有一个级联的差分放大器和一个电流镜有功负载，这使其可以用作比较器，可以比较输入。基于此特性，双轨电源可立即驱动电路接近相反的电压。

作为使用电容器的电路中的限流器，为防止电容器缓慢放电，它们通过高输入阻抗被这些运算放大器隔离，从而保持电荷，这在高速开关和保持电路中起到了很好的补充作用