運算放大器(OPAMP)

2 虛短和虛斷

3 反向放大器

3.1 典型電路

3.2 放大倍數(shù)

3.3 仿真結(jié)果

4 同向放大器

4.1 雙電源

4.2 雙電源同向放大器仿真結(jié)果

4.3 單電源

4.4 雙電源同向放大器仿真結(jié)果

5 總結(jié)

1 運算放大器(OPAMP)

集成運算放大器有同向輸入端和反向輸入端，具體如下圖所示;

輸出電壓 滿足關(guān)系 ，集成運放最終放大的是差模信號，在沒有引入反饋的情況下，電壓的放大倍數(shù)為差模開環(huán)放大倍數(shù)，這里記作 ，因此當運放工作在線性區(qū)域的時候，滿足

集成運放的電壓傳輸特性如下圖所示;

工作在線性區(qū)的時候，則曲線的斜率為電壓的放大倍數(shù);

工作在非線性區(qū)的時候，即處于飽和狀態(tài)的情況下，輸出電壓為 或 ;

2 虛短和虛斷

虛短前面提到，集成運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)很大，一般通用型的運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 dB以上，但是運放的輸出電壓是有限制的，一般 在10V～14V，然而運放的差模輸入電壓不足1 mV，因此可以輸入兩端可以近似等電位，就相當于 短路。 開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等，這種特性稱之為虛短。

虛斷集成運算放大器具有輸入高阻抗的特性，一般同向輸入端和反向輸入端的輸入電阻都在1MΩ以上，所以輸入端流入運放的電流往往小于1uA，遠小于輸入端外電路的電流。所以這里通常可把運放的兩輸入端視為開路，并且運放的輸入電阻越大，同向和反向輸入兩端越接近開路。在運放處于線性狀態(tài)時，根據(jù)這個特性可以把兩輸入端視為等效開路，簡稱虛斷。

3 反向放大器

3.1 典型電路

3.2 放大倍數(shù)

根據(jù)虛短和虛斷，可以求出運算放大器的放大倍數(shù)：

假設(shè)流過電阻 的電流為 ;流過電阻 的電流為 ;

假設(shè)運算放大器同向輸入端電壓為 ，反向輸入端電壓為 ;

根據(jù)虛短，可以得到：

根據(jù)虛斷，可知電阻 和 為串聯(lián)關(guān)系：則滿足：

最終求代數(shù)式可以得到：

3.3 仿真結(jié)果

為 頻率50Hz，幅值為 500mV的正弦波，具體設(shè)置如下圖所示;*[HTML]:

增益 ;

所以輸入輸出關(guān)系為：

仿真結(jié)果如下圖所示;

4 同向放大器

4.1 雙電源

同向放大器同樣可以使用虛短虛斷去分析;具體電路如下圖所示;推導過程：

假設(shè)流過電阻 的電流為 ;流過電阻 的電流為 ;

假設(shè)運算放大器同向輸入端電壓為 ，反向輸入端電壓為 ;

根據(jù)虛短，可以得到：

根據(jù)虛斷，可知電阻 和 為串聯(lián)關(guān)系：則滿足：

最終求解得到：

4.2 雙電源同向放大器仿真結(jié)果

為 頻率50Hz，幅值為 500mV的正弦波，具體設(shè)置如下圖所示;

增益 ;

所以輸入輸出關(guān)系為：

仿真結(jié)果如下圖所示;

4.3 單電源

與上面雙電源供電不同，如果運算放大器使用單電源，為了輸出正常，如果使用單電源供電，非反向放的OP放大器必須與地線關(guān)聯(lián)，如果 是接地，那 輸入端需要有 的壓降，這個可以通過電阻分壓得到。單電源的電路如下圖所示;

這里增加了兩個20KΩ的分壓，在 端增加了2.5V的輸入電壓。

4.4 雙電源同向放大器仿真結(jié)果

輸入與上面的實驗相同此處不再贅述;

增益 ;

所以輸入輸出關(guān)系為：

5 總結(jié)

本文分析的運算放大器都是比較常用且簡單的類型，當前只給出了如何計算輸入和輸出的關(guān)系，如果作為硬件設(shè)計人員，還需要關(guān)注更多的細節(jié)，更多運算放大器的指標，失調(diào)電壓，溫漂等等，筆者能力有限，無法進行分析，如果單純作為讀懂一般的運算放大電路還是夠用的。