懂了！運(yùn)算放大器的工作原理

本文旨在學(xué)習(xí)如何快速簡單地對運(yùn)算放大器進(jìn)行分析;

• 1 運(yùn)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(yùn)算放大器（OPAMP）

集成運(yùn)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(yùn)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(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)域的時(shí)候，滿足

集成運(yùn)放的電壓傳輸特性如下圖所示；

• 工作在 線性區(qū)的時(shí)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(shí)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(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)很大，一般通用型的運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 dB以上，但是運(yùn)放的輸出電壓是有限制的，一般 在10V～14V，然而運(yùn)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(dāng)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(yùn)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(yùn)放的電流往往小于1uA，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。所以這里通?？砂堰\(yùn)放的兩輸入端視為開路，并且運(yùn)放的輸入電阻越大，同向和反向輸入兩端越接近開路。在運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，根據(jù)這個(gè)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(yùn)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(yùn)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：

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(dǎo)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(yùn)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：

4.3 單電源

與上面雙電源供電不同，如果運(yùn)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(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(yùn)算放大器都是比較常用且簡單的類型，當(dāng)前只給出了如何計(jì)算輸入和輸出的關(guān)系，如果作為硬件設(shè)計(jì)人員，還需要關(guān)注更多的細(xì)節(jié)，更多運(yùn)算放大器的指標(biāo)，失調(diào)電壓，溫漂等等，筆者能力有限，無法進(jìn)行分析，如果單純作為讀懂一般的運(yùn)算放大電路還是夠用的。

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