干货｜什么是运算放大器、比较器？

什么是运算放大器

运算放大器(Operational Amplifier)是一种差分放大器，具有高输入电阻、低输出电阻、高开放增益（开环增益），并具有可放大+输入引脚与-输入引脚间的电压差的功能。

每个电路由正侧电源引脚、负侧电源引脚、+输入引脚、-输入引脚、输出引脚等5个引脚构成。

*通常电源、输入、输出分类以外的引脚名称未进行统一

运算放大器、比较器的图解符号

运算放大器的电源引脚名称示例

运算放大器要求的功能有高输入电阻（阻抗）和低输出电阻。在下图【电压控制电压源放大器模型】中，输入电压和输出电压的关系如以下公式所示。

电压控制电压源放大器模型

信号电压Vs是通过电阻分压由信号源电阻Rs和运算放大器的输入电阻Ri分压而得，因此衰减的信号被输入运算放大器。

但是，当Ri远远大于Rs(Ri=∞)时，公式的第1项可视作近似于1、Vs=Vi。

关于以下第2项，放大了的输入电压AvVi被运算放大器的输出电阻Ro和负载电阻RL分压输出。

此时，当Ro远远小于RL(Ro=0)时，第2项可近似于1，信号可在不衰减的状态下输出。

这样的运算放大器被称为理想运算放大器。

一般希望运算放大器具有高输入电阻、低输出电阻，尽量设计为接近理想运算放大器的电路结构。

信号电压Vs是通过电阻分压由信号源电阻Rs和运算放大器的输入电阻Ri分压而得，因此衰减的信号被输入运算放大器。

但是，当Ri远远大于Rs(Ri=∞)时，公式的第1项可视作近似于1、Vs=Vi。

关于以下第2项，放大了的输入电压AvVi被运算放大器的输出电阻Ro和负载电阻RL分压输出。

此时，当Ro远远小于RL(Ro=0)时，第2项可近似于1，信号可在不衰减的状态下输出。

这样的运算放大器被称为理想运算放大器。

一般希望运算放大器具有高输入电阻、低输出电阻，尽量设计为接近理想运算放大器的电路结构。

运算放大器按其放大率放大引脚间的电压差，因此输出电压表示如下。

当运算放大器的开放增益Av足够大时，可视为左边近似于0、Vs=VOUT。

增益较低时，公式左边不可近似于0，这样，输出电压会发生误差。

之所以希望运算放大器有高开放增益，是因为通过该增益可尽量缩小输出电压误差。

高开放增益从其他角度来看，意味着应尽量减小+输入引脚和-输入引脚间的电位差。即，开放增益越大，VIN+=VIN-的关系成立的可能性就越大。该+输入引脚和-输入引脚的电位基本相等的关系被称为虚短、虚断或虚拟接地。

构成负反馈电路使用时，该关系成立，可利用虚拟接地的特性设计应用电路。

什么是比较器

比较器(Voltage Comparator)的引脚结构与运算放大器相同，即由+输入引脚、-输入引脚、正侧电源引脚、负侧电源引脚、输出引脚等5个引脚构成。该电路使用任一输入引脚为基准引脚来固定电压，放大该基准电压与输入另一个引脚的电压间的差，输出High或Low。

+输入引脚的电位 > -输入引脚的电位成立时，输出High级
-输入引脚的电位 > +输入引脚的电位成立时，输出Low级

运算放大器与比较器的很大差异是有无相位补偿电容。

由于运算放大器构成负反馈电路使用，因此需要在IC内部设置防振相位补偿电容。

而比较器未构成负反馈电路，因此未内置相位补偿电容。

由于相位补偿电容限制了输入-输出间的响应时间，因此无相位补偿电容的比较器具有比运算放大器更好的响应性。

另一方面，根据该相位补偿电容的有无，将运算放大器作为比较器使用时，因受相位补偿电容限制，其响应性远远低于比较器。

运算放大器作为比较器使用时需要注意。