运放的内部结构包括差分放大电路、多级放大电路和偏置电路，这些都是确保运放正确工作的关键要素。
- 运放封装：运放有多种封装形式。
- 五个引脚：
- 正输入端（非反转输入端，V+）：这个引脚用于接收输入信号，与负输入端共同定义了输入信号的差分。
- 负输入端（反转输入端，V-）：同样用于接收输入信号。运放放大的是正输入端与负输入端之间的电压差。
- 输出端（OUT）：这是运放输出放大信号的引脚。
- 正电源（VCC+ 或 Vdd）：连接到正电源电压。
- 负电源（VCC- 或 Vss）：连接到负电源电压或地（GND）。在单电源系统中，这个引脚可能直接接地。
- 内部结构：运放的内部结构主要包括输入级、中间级、输出级和偏置电路。
- 输入级：采用差分放大电路，具有抑制零点漂移的功能。
- 中间级：使用高增益放大电路，以确保足够的放大倍数。
- 输出级：负责推挽输出。
- 偏置电路：为各级提供工作电压。
- 电压传输特性：运放的电压传输特性分为线性区和饱和区两部分。
- 线性区：输出电压与输入电压差值的乘积，与开环放大倍数相关。线性区的斜率代表电压放大倍数
- 饱和区：输出电压接近供电电压的正负值（±VCC）。
- 负反馈的引入：通过引入负反馈，可以使运放工作在放大区，这对于实现稳定和高效的放大非常关键。
分贝与放大倍数（增益）之间的关系可以用以下公式表达：
分贝是描述放大倍数的一种单位，与放大倍数的关系为：放大倍数 = 10^(分贝/20)。
增益（dB）=20×log10(放大倍数)增益（dB）=20×log10(放大倍数)
其中，放大倍数是输出信号与输入信号幅度的比值。
例如，如果一个放大器的放大倍数为10，那么它的增益为：
20×log10(10)=20 dB
如果放大倍数是100，则增益为：
20×log10(100)=40 dB
理解并正确应用虚短和虚断是简化运放电路分析的关键，但前提是电路中已经引入了深度负反馈。
虚短的概念与应用
- 虚短概念：虚短指的是当运放工作在线性区域时，其两个输入端（正输入端和负输入端）可以视为等电位。
- 前提：必要条件是引入深度负反馈，同时放大器开环增益足够大。
虚断概念：虚断是将运放的输入端视为电气上的断路状态，意味着认为输入端没有电流流入或流出，由于运放的输入阻抗极高（通常大于一兆欧姆），输入端的电流几乎可以忽略不计，流入运放的电流非常小，几乎为零。
虚地是一种特殊的虚短。
- 输出阻抗无穷大，可视为具有无穷大输出电阻的电压源。
- 输入阻抗等于零，负载电流变化时输出电压恒定。
- 开环增益无限大，共模抑制比无限大，只放大差分信号，抑制共模信号。
差分信号是一对信号线中的两个信号相互反相且幅度相等，主要用于传输有效数据；共模信号是一对信号线上的两个信号同相且幅度相同，通常视为干扰或不需要的信号。
- 正向放大器输出信号与输入信号的相位相同，放大倍数由反馈电阻和输入电阻共同决定。
- 反向放大器输出信号与输入信号的相位相反，放大倍数为负值，由反馈电阻和输入电阻决定。
- 运算放大器无法直接输出负电压，需要通过引入负电源或抬高正向输入端电压来解决。
在这个电路中，运放的正负输入端分别接收V1和V2两个信号。由于运放的虚短特性，其正负输入端电压是相等的（V+ = V-），即使没有物理短路。电路的反相端和同相端通过电阻R1和R3、R2和R4与输入信号相连，而运放的输出则通过这些电阻形成的网络响应这两个输入信号。
叠加定理的应用步骤通常包括：
- 将除一个信号源外的其他信号源短路（对于电压源是短路，对于电流源是断路），分别计算每个信号源单独作用时的输出电压。
- 重复步骤1，直到所有信号源都被独立考虑过。
- 将所有计算出的输出电压叠加，得到实际电路的输出电压。
在分析电流关系时，由于虚断的特性，我们可以假设运放输入端没有电流流入，这简化了计算过程。
差分放大器电路的目标是放大输入信号的差值，同时抑制两输入端共同的信号（共模信号）。在理想情况下，当电阻R1=R3和R2=R4时，运放的输出仅依赖于两输入端电压的差值（V1-V2），并且共模信号被完全抑制。
分析差分放大器电路时，可以使用以下步骤：
- 分别计算V1和V2对输出的影响。根据叠加定理，当V2=0时，计算V1对输出的影响；然后当V1=0时，计算V2对输出的影响。
- 考虑虚短，使得V+和V-电位相同。在图示的电路中，V+端是通过R1和R3连接到地的，所以V+=0V（虚地）。
- 应用分压公式计算电流和电压。
- 叠加V1和V2的影响得到总的输出电压VO。
电压跟随器的主要作用包括：
- 电压跟随器常用于需要提高电路驱动能力或隔离效果的场合，如分压电阻形式的应用。
- 在数字电路与模拟电路之间使用电压跟随器可以实现隔离，减少噪声对模拟电路的影响。
- 电压跟随器还可以用于保护运放，防止输出电压过大导致运放损坏。
R4电阻有限流作用，R3反馈电阻用于匹配电路，消除偏置电流对输出电压的影响。
- 功能：比较器用来比较两个输入信号的电压大小，并根据比较结果输出一个数字信号，通常是高电平（如电源电压）或低电平（如接地电平）。
- 输出：比较器的输出一般是开漏或推挽输出，可以直接连接到数字电路，不需要通过外部电阻设置增益。
- 频率响应：比较器设计用来快速响应输入信号的变化，具有高速切换特性。
- 内部设计：比较器内部不是为了线性放大设计的，因此其开环增益极高，且无需外部反馈网络。
- 使用方式：比较器一般不使用反馈或者只使用少量反馈来实现滞后效果，以避免输出在阈值附近振荡。
- 开漏输出需要上拉电阻才能输出高电平，高电平没有驱动能力。
- 输出电平完全由上拉电阻所连的电源决定。
- 在未接上拉电阻的情况下，输出为开漏状态，此时输出为低电平。
- 运放比较器在输入信号接近设定阈值时，输出会变得不确定，产生抖动现象。这种抖动会导致输出端受到干扰时产生波动，降低抗干扰能力。
- 为提高抗干扰能力，通常会牺牲一些灵敏度，通过设定不同的正向和负向阈值来实现。
迟滞比较器是通过在比较器电路中引入正反馈来实现的，这样做可以设定两个不同的阈值电平，分别对应于输出从低到高和从高到低的切换点。这意味着输入信号必须超过更高的阈值电平才能使输出变为高电平，而当输入信号低于较低的阈值电平时，输出才会变回低电平。
这样设计的目的是防止在输入信号接近阈值电平时因噪声或其他小的干扰而造成输出频繁的错误切换，这种现象称为抖动。迟滞比较器的两个阈值之间的差距创建了一个“死区”，即迟滞区域，这样只有当输入信号的变化足够大，确实超过了预定的阈值电平，输出状态才会改变。这种迟滞效果增强了电路的抗噪声性能，提高了系统的稳定性。
增益带宽积（GBW，Gain Bandwidth Product）是描述运算放大器性能的一个参数，它告诉我们运放在特定增益下能达到的最大带宽。增益指的是运放将信号放大的倍数，带宽指的是运放能够有效工作的频率范围。增益带宽积的单位是赫兹（Hz）。
简单来说，增益带宽积是一个常数，意味着如果你提高了运放的增益，它能够处理的最大频率就会下降，反之亦然。如果运放的增益降低，它能有效工作的频率范围就会增加。这是因为当你提高信号的增益时，会牺牲运放处理高频信号的能力，而在低增益下运放可以处理更高的频率。
例如，如果一个运放的增益带宽积是1 MHz，当你设置增益为10倍时，它的带宽将是100 kHz；如果将增益设置为1倍（即没有放大），它的带宽就可以达到1 MHz。
- 运放的带宽会随着放大倍数的增加而减小。例如，如果单位争议带宽是10MHz，放大倍数为10，则实际带宽为1MHz。
- 在选择运放时，需要考虑信号类型，如主流信号，以及精度和干扰问题。不同的信号类型需要不同的带宽。
- 在选择运放带宽时，即使知道输入信号频率和运放带宽相同，也需要考虑一定的余量，以避免信号失真。