运算放大器（Operational Amplifier，简称 Op-Amp）作为模拟电子电路的核心基石，凭借其高增益、高输入阻抗、低输出阻抗的特性，通过不同的外部电路配置，可实现放大、缓冲、运算、波形生成等多种功能。掌握其典型应用电路，是迈入模拟电子技术领域的关键一步。
一、运算放大器基础：分析的两大核心工具
当运放工作在线性区（通常通过负反馈实现）时，有两个非常重要的分析工具：“虚短”和“虚断”
虚短：指运放的同相输入端（V+）和反相输入端（V-）的电压近似相等（V+ ≈ V-）。这是因为运放的开环增益极高，而输出电压是有限的，使得两输入端之间的电压差被“挤压”得极小。
虚断：指流入运放同相和反相输入端的电流近似为0。这是因为运放内部的输入阻抗非常大，通常达到兆欧级。
这两个概念是分析运放线性应用电路（如放大器、滤波器等）的基石。
二、工作状态：开环与闭环
运放的工作状态主要分为两种，对应着不同的应用场景。
特性 | 开环工作状态 (Open-Loop) | 闭环工作状态 (Closed-Loop) |
|---|---|---|
| 反馈路径 | 无反馈 | 通过外部元件（电阻、电容等）引入负反馈 |
| 工作模式 | 非线性 | 线性 |
| “虚短” | 不成立 | 成立 |
| “虚断” | 成立 | 成立 |
| 输出行为 | 输出仅为正饱和或负饱和电压 | 输出与输入之间呈现稳定的线性放大关系 |
| 典型应用 | 比较器（电压比较） | 各种线性放大电路（反相/同相放大器）、数学运算电路（加、减、积分、微分）、有源滤波器等 |
三、核心典型电路详解
1. 反相放大器：
工作原理：基于 "虚短" 特性，同相输入端接地导致U+=0V，故反相输入端形成 "虚地"（U−≈0V）；依据 "虚断" 特性，流经R1的电流近似等于流经Rf的电流（I1≈If）。通过欧姆定律推导可得：
2. 同相放大器：
工作原理：根据 "虚短" 特性，U−≈U+=Uin；由 "虚断" 特性可知，R2与Rf构成串联分压电路，反相输入端电压U−=Uout x R2 /(R2+Rf)。联立推导可得电压增益公式：
3. 电压跟随器
工作原理：基于 "虚短" 特性，直接可得Uout≈Uin，电压增益Av=1。其核心价值在于 "隔离缓冲"—— 借助极高输入阻抗不消耗前级信号源电流，通过极低输出阻抗驱动后级低阻抗负载。
4. 加法器：
工作原理：利用反相输入端的 "虚地" 特性（U−≈0V）和 "虚断" 特性（总输入电流等于反馈电流），可得：Vi1/R1 + Vi2/R2 = -Vo/Rf
整理得输出电压公式：
5. 减法器：
电压减法器通常利用运算放大器的差分输入特性实现。通过合理配置电阻网络，可以将两个输入信号的电压差放大并输出。其基本原理基于运算放大器的虚短和虚断特性。
6. 比较器
电压比较器是一种用于比较两个输入电压大小的电路元件，其输出为二进制信号（高电平或低电平）。比较器的核心功能是根据输入电压的相对大小输出相应的电平状态。
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