電 子 學 (三) 運 算 放 大 器 教師: 黃 育 泰 中 華 民 國 九 十 六 年 六 月

上 課 大 綱 一、運算放大器簡介 二、運算放大器的結構 三、理想運算放大器與其特性 四、運算放大器的基本電路

一、運算放大器的簡介

運算放大器(operational amplifier, 簡稱OPA)可說是類比電路中用途最廣、功能最多的一種IC。 運算放大器的種類繁多，一顆IC 中通常包含數十個電晶體，例如常見的741C 運算放大器由24 個電晶體所構成。 雖然OPA的內部構造相當複雜，但是就其輸出與輸入的關係來看卻十分簡單，因此，只要注意到OPA的一些限制，分析或設計OPA的應用電路通常是件輕鬆愉快的工作。

OPA主要應用於線性電路中，也就是類比訊號(如聲音、溫度、壓力、速度、或是正弦波等)的放大器。 雖然獨立的電晶體也可製作類比放大器，但是一般的電路中，使用OPA或是其他線性IC做為類比放大器的核心是較簡易、可靠、而且廉價的選擇。

二、運算放大器的結構

＊運算放大器結構方塊圖

正電源供應端 倒相輸入(以負號表示) 非倒相輸入(以正號表示) 輸出端 負電源供應端 ＊基本運算放大器電路符號圖

＊運算放大器符號與外觀

三、理想運算放大器與其特性

倒相輸入端 輸出端 非倒相輸入端 ＊理想運算放大器的內部等效電路

倒相輸入端 輸出端 非倒相輸入端 ＊實際運算放大器的內部等效電路

定義： 輸入電阻 輸出阻抗 開迴路增益 頻帶寬度 原則： 兩輸入端幾乎同電位 兩輸入端沒有電流流進流出

四、運算放大器的基本電路

＊倒相放大器 將運算放大器的非倒相入端接地，而將輸入信號加至倒相輸入端，同時在輸出端與倒相輸入端之間接上一個回授電阻，即形成一基本的倒相放大器，如下圖所示。 Ｉ ＋ － Ｉ ＋ －

＊倒相放大器 Ｉ ＋ － Ｉ ＋ －

＊倒相放大器　例題： 設R1=10kΩ，Rf=100kΩ，當輸入信號Vi=2mV時其輸出電壓為？

＊倒相放大器　練習： 設R1=1kΩ，Rf=10kΩ，當輸入信號Vi=10mV時其輸出電壓為？

＊非倒相放大器 下圖為非倒相放大器電路，信號由非倒相”+”端輸入，輸出信號則經由Rf與R1回授到倒相輸入端，所以輸出信號與輸入信號同相位，故又稱為同相放大器。

＊非倒相放大器　

＊非倒相放大器　例題： 設R1=10kΩ，Rf=100kΩ，當輸入信號Vi=0.2V時其輸出電壓為？

＊非倒相放大器　練習： 設R1=5kΩ，Rf=20kΩ，當輸入信號Vi=1mV時其輸出電壓為？

＊電壓隨耦器 此即表示電壓增益為1，且輸出信號大小與相位均與輸入信號相同，亦即Vo追隨者Vi，故稱為電壓隨耦器。 電壓隨耦器具有極高的輸入阻抗與極低的輸出阻抗，可以隔離前後級電路的影響；且由於輸出阻抗低可以推動更多的負載，故為一理想的緩衝放大器。

＊電壓隨耦器　練習： 設輸入信號Vi=10V時其輸出電壓為？

＊加 法 器 加法器是一種輸入信號複接並聯加至運算放大器的輸入端，而輸出端只有一端，因此電路中的輸入總電流與回授電流相等，亦即在輸出端取出各輸入電壓的代數和，故此電路又稱為總和放大器。加法器可分為倒相加法器與非倒相加法器。

＊倒相加法器 如下圖所示電路，把幾個複接並聯的信號同時由倒相輸入端輸入，而在輸出端取出其代數和的倒相電壓，此即稱為倒相加法器。

＊倒相加法器　 若R1 = R2 = ……………… = Rn = R 則將為 若Rf = R則 此即為理想的倒相加法器。

＊倒相加法器　例題： 設R1=10kΩ，R2=20kΩ，R3=5kΩ，Rf=100kΩ，當輸入信號V1=0.4V，V2=-0.2V，V3=-0.1V時其輸出電壓為？

＊倒相加法器　例題： 設R1=10kΩ，R2=5kΩ，R3=2kΩ，Rf=100kΩ，當輸入信號V1=-6V，V2=3V，V3=-2V時其輸出電壓為？

＊非倒相加法器 如下圖所示為非倒相加法器，把幾個複接並聯的信號同時由非倒相輸入端輸入，而在輸出端取出其代數和的同相電壓，此即為非倒相加法器。

＊非倒相加法器 為了分析方便，若R1 = R2 =……= Rn = R， 可得

＊非倒相加法器　例題： 設R1=R2=R3=5kΩ，RN=10kΩ，Rf=100kΩ，當輸入信號V1=1mV，V2=2mV，V3=3mV時其輸出電壓為？

＊非倒相加法器　練習： 設R1=R2=R3=6kΩ，RN=12kΩ，Rf=240kΩ，當輸入信號V1=3mV，V2=2mV，V3=4mV時其輸出電壓為？

＊減 法 器 減法器電路如下圖所示，此種電路將兩個信號分別輸入倒相端和非倒相端，以便在輸出端獲得正比於兩輸入信號差量的放大信號。

＊減 法 器 若R1 = Rf，則 若R1 = R2，R3 = Rf 或 則: 輸出電壓正比於兩輸入信號的差量，且其增益為 ＊減 法 器 若R1 = Rf，則 若R1 = R2，R3 = Rf 輸出電壓正比於兩輸入信號的差量，且其增益為 或 則: 此時之電路為理想減法器。

＊減 法 器　 例題： 設R1=10kΩ，R2=5kΩ，R3=10kΩ，Rf=10kΩ，當輸入信號V1=2V，V2=3V時其輸出電壓為？

＊重　點　歸　納 定義： 輸入電阻 輸出阻抗 開迴路增益 頻帶寬度 原則： 兩輸入端幾乎同電位 兩輸入端沒有電流流進流出

＊參 考 網 站 有限增益放大器 崑山科大-電子工程學系-運算放大器 ＊參　考　網　站 http://www.csie.ntu.edu.tw/~b5506062/opamp/opa1.html 有限增益放大器 http://203.71.46.33/ele_circuit/opa/opa.htm 崑山科大-電子工程學系-運算放大器

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