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第五章 含有运算放大器的电阻电路

运算放大器的电路模型

定义

      来自百度百科:运算放大器(简称“运放”)是具有高放大倍数的电路单元,通常与反馈网络组成功能模块。其输出信号可实现输入信号的加减、微分、积分等数学运算。
      大概放一个关系图,以便理清思路(不要仔细看,只关注本章要讲的就可以)。

电路符号

介绍

看(a)图:三角符号代表放大器,输入端是a、b,输出端是o。E+和E-连接分别正和负的直流偏置电压,维持运放内部晶体管正常工作。这里电压的正、负是对公共端——接地而言的。
看(b)图:分析运放的放大作用通常无关偏置电压大小,这时采用(b)所示简化符号:
a端称为“倒向输入端”或“反相输入端”,因为当只从a输入时,输入电压 u⁻ 相对于公共端(地)为正时,输出 u₀ 极性与输入相反(输入正→输出负,输入负→输出正)
b端称为“非倒向输入端”或“同相输入端”,因为当只从b输入时,输入电压 u⁺ 相对于公共端(地)为正时,输出 u₀ 极性与输入相同(输入正→输出正,输入负→输出负)

运算放大器的传输特性

      还以上面的图片为例,如果在a端和b端分别同时加输入电压u⁺u-,令,则可得,在线性工作范围内,输出Uo和输入Ud之间的关系:
      转移特性曲线如下:(A是开环电压放大倍数,器件的固有参数)。

当:,则  

当:,则  

      实际运放的A值非常大(几千~几十万),哪怕输入端只有毫伏级的差值,输出立刻就饱和,单纯把运放直接使用(不接任何外部反馈),它几乎无法稳定工作在线性区
      那我们该如何让它正常放大、做运算?请继续往下看找到答案。

理想运算放大器

      如上是运放的等效模型,其中Ri代表输入电阻,Ro代表输出电阻。
      据此,我们在线性放大区,将运放电路作如下理想化处理,得到理想运算放大器:
A→∞
开环电路:微小的Ud就会让输出直接进入饱和区,线性公式失效。(一般可以用作电压比较器,把各种信号只处理成特定高低交替的方波信号)
闭环电路:
<ol><ol><li>
正反馈:输出接同相输入端,进一步放大差值,使运放快速饱和,(用于波形发生器等)
负反馈: !!! 输出接反向输入端,抵消输入差值,强行把运放约束在线性区,  Uo为有限值,又因为Uo为有限值,而。所以Ud=0,即。两个输入端之间相当于短路→虚短
</li></ol>
</ol>
Ri→∞
      输入电阻无穷大,从前面电路吸取的电流就越小,几乎不会改变前级原本的电压、信号,使前级工作不受干扰,从输入端看进去,元件相当于开路→虚断
Ro→0
      输出电阻趋近于0,和后级负载分压就越少,实际输出电压越接近理论计算值   Uo,带负载能力更强。

比例电路的分析

倒向比例器(反相比例放大器)

      输入信号Ui接在倒向输入端,结构如图:(要构成负反馈,所以Rf接到倒向输入端)。
      可以利用虚短虚断来解得输入与输出电压关系:
      我们大概分析一下放大信号的过程:
      一开始上电输入一个Ui>0,初始时刻U-U+都是0v,然后电位差产生一个i1方向的电流,使U-电位升高,>U+,根据公式
和上面的工作曲线,可以知道此时立刻产生一个负向增大即将超过线性工作区的输出电压。
      那么这时反向输入端通过负反馈电阻Rf灌给输出端电流i2,使自己的电位拉低,来回拉扯达到动态平衡后,此时运放输入端几乎不吸电流,电流走向为输入端→R1→Rf→输出端,i1和i2两个式子画等号处理后可以得到

      此前,放大倍数A是取决于运放本身,一成不变的,而此时放大倍数
,通过外接的这两个电阻控制,A和输入电压的乘积是输出电压,输出电压范围在。那么我们可以通过减小放大倍数,让让原本需要在(-ε,+ε)的输入电压的范围扩大,这就是外接电阻形成负反馈的意义

含有理想运算放大器的电路分析

总体分析方法

抓住理想运放的两条性质
虚短:倒向输入端与非倒向输入端仿佛短路,即两者电位相等。(上面分析过,虚短只在负反馈时成立)
虚断:从输入端看进去,元件相当于开路,即倒向和非倒向输入端电流均为0。
利用结点电压法

比例加法器(从倒向输入端输入)

根据性质
列式

我们还有另外一种思考方式:把运放和外电路看做一个整体,符合线性元件定义,那么就可以直接用叠加定理。
若取  ,则  
若在输出端再加上    的同相比例器,则总体输出可为正号。

非倒向比例器(同相比例放大器)

      输入信号Ui接到同相输入端,如图,注意中间是交叉不是结点。(这里有人分不清,记住我们前面提到的反馈电阻要连到反向输入端才可以形成负反馈,这样你就明白了。)
根据性质
注意:此时输入信号    接在同相输入端,输出的是同相的且被放大的电位。 那么  ,此时电流唯有如图那条途径(从右向左)
虚断:无图中所示    和  电流,此时两端无电流就不降压,故  
列式

      从这个同相放大比例器结构出发,如果我们让R2对应阻值无穷大,或者说让他的那条支路断开,R1阻值为0,那么输出,即为我们下面提到的电压跟随器。

电压跟随器

我们可以举个栗子来感受一下:

减法运算电路

这里我们直接用叠加定理来分析吧,
同理,当  

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