運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單介紹及其供電設(shè)計(jì)

注意，此處我們采用的是Multisim軟件仿真 ，鏈接中有詳細(xì)安裝教程。

注意：仿真只是數(shù)學(xué)運(yùn)算，實(shí)際情況的話，就不是數(shù)學(xué)運(yùn)算那么簡單，有很多復(fù)雜的因數(shù)在里面。所以具體情況要參照實(shí)際電路搭建。比如說，之前我們搭建蔡氏電路的時(shí)候，明明1700歐左右就能產(chǎn)生雙周期的波形，但是按照仿真搭建的電路，具體確實(shí)1430歐左右才產(chǎn)生雙周期的波形。這是需要注意的!!!

運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單介紹，及其供電

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

V+V-供電

我們先看V+和V-，這個(gè)地方就是運(yùn)放芯片的供電電源。V+很好理解，就是一節(jié)電池正極接V+，負(fù)極接地。V-就是電源的正極利用一根杜邦線丟到地上，負(fù)極接V-，負(fù)壓就產(chǎn)生了。

在Multisim中運(yùn)放的尋找位置(因?yàn)長M358P內(nèi)部是存在兩個(gè)運(yùn)放的，所以彈出的哪個(gè)選項(xiàng)點(diǎn)擊A還是B都可以)。

在Multisim中直流電源位置。

這里我們需要注意一個(gè)點(diǎn)，輸入電壓范圍是不一定要求正負(fù)對稱的。如果V+為6V，那么V-不是必須是-6V。我嘗試在Multisim中嘗試V+12V，V-為-6V，發(fā)現(xiàn)可以正常運(yùn)行。詢問老師之后得知，正負(fù)端電壓不對稱只會影響輸出信號的最大動態(tài)范圍，只要輸出信號在最大動態(tài)范圍內(nèi)，電源不對稱對輸出沒有影響。

VpVn輸出電壓

然后我們需要知道，運(yùn)放內(nèi)部你可以理解為有一個(gè)電壓受控源，它由(Vp-Vn)控制，實(shí)際的輸出電壓為Avo(Vp-Vn)。Avo是電壓增益量，它的值一般都非常大。我們通過控制Vp和Vn的差值，來控制輸出電壓。但是由于Avo的值一般都非常大，那么我們需要輸出一個(gè)幾V的電壓的時(shí)候，(Vp-Vn)的值就會非常非常的小，所以我們一般都會設(shè)置一個(gè)負(fù)反饋的系統(tǒng)(這個(gè)放在后面講)。有了負(fù)反饋系統(tǒng)之后，我們就可以設(shè)置放大的倍數(shù)了。

ri虛斷虛短

運(yùn)放內(nèi)部的電阻ri是非常大的，而我們的(Vp-Vn)的值又非常非常的小。那么此時(shí)流經(jīng)ri的電流將會非常小，我們可以看作沒有。而我們知道，電路處于斷路狀態(tài)就是沒有電流的，那么現(xiàn)在運(yùn)放的這個(gè)狀態(tài)我們稱之為虛斷。

如下為一個(gè)同向放大電路，我們測量輸入端兩側(cè)的電流可以知道流經(jīng)輸入端的電流僅僅只有-19.496nA(1nA=10^-9A)。所以我們可以認(rèn)為此時(shí)處于虛斷。

我們上面說了，因?yàn)锳vo的值一般都非常大，那么(Vp-Vn)的值我們可以看成是為0。我們可以知道，當(dāng)一個(gè)電阻被短路了，那么這個(gè)電阻兩端電壓相同。而現(xiàn)在(Vp-Vn)值約為0的這種狀態(tài)，我們稱之為虛短。

如下為一個(gè)同向放大電路，我們測量輸入端兩側(cè)的電壓可以知道，兩者壓差為323.073uV(1V=1000mV，而1mV=1000uV)。這個(gè)值毫無疑問是非常非常小的，幾乎可以忽略不記，所以我們可以認(rèn)為此時(shí)處于虛短。

在我們這里需要選擇V，——，表示測量直流電壓。

注意：⑴我們這里的電源和上面供電的哪個(gè)地方電源好像不一樣啊?的確有些許不一樣，但都是電源。為了讓電路美觀，我們才這么畫。

⑵我們需要注意的是，虛斷是一直存在的，虛短并不是。后面線性區(qū)講。

ro內(nèi)阻

ro稱之為輸出電阻，他的阻值非常非常的小，一般直接忽略，與導(dǎo)線等價(jià)即可。

總結(jié)：

⑴V+接正電壓，V-接負(fù)壓。

⑵V+V-不需要正負(fù)對稱。

⑶運(yùn)放的放大可以理解為一個(gè)由(Vp-Vn)控制的電壓受控源。

⑷虛斷一直有，虛短不一定。

運(yùn)放電壓傳輸特性及其輸出電流介紹

運(yùn)放的三個(gè)區(qū)域

首先我們需要知道運(yùn)放是有三個(gè)區(qū)域的，分別是負(fù)飽和區(qū)，線性區(qū)，正飽和區(qū)。

正負(fù)飽和區(qū)

首先我們介紹正負(fù)飽和區(qū)，我們需要知道，運(yùn)放電路的放大作用是有極限的，而這個(gè)極限就是飽和區(qū)。那么我們?nèi)绾沃肋@個(gè)飽和的電壓大概是在什么范圍呢?一般來說，這個(gè)飽和電壓由V+和V-決定。我們的這個(gè)放大電壓是不可能超過V+的電壓，低于V-的電壓。所以說，這個(gè)飽和電壓就是V+和V-的值嗎?不是的，運(yùn)放電路中是存在飽和壓降?V，那么我們的放大電路的范圍就應(yīng)該是(V-+?V,V+-?V)，而把V-+?V,V+-?V用Vom來表示，放大電壓范圍就是(-Vom，+Vom)。

首先我提前告知，這個(gè)電路為一個(gè)同向放大3倍的同向放大電路，此電路的飽和區(qū)在10.495V。我們正向輸入端一開始為3.3V，3.3V*3=9.9V，而9.9V小于10.495V，是可行的。

但是如果我們輸入端電壓為5V呢?會不會是5V*3=15V呢 ?顯然不會，因?yàn)轱柡蛥^(qū)的存在，此時(shí)的電壓應(yīng)該是10.495V。這個(gè)時(shí)候就說明放大電路處于飽和狀態(tài)了。

輸出端負(fù)載阻值影響

而我們的放大電壓范圍僅受V+V-的影響嗎?不是的，一般來說，運(yùn)放的輸出端最大電流為±20mA。如果負(fù)載RL阻值過小會導(dǎo)致|V0|的最大值變小。例如，RL為200歐，|V0|的變化范圍只有20mA*200歐=0.02A*200歐=4V。所以我們RL一般要選擇大一點(diǎn)的值，但又不能過大。

如下，我們正常接入3.3V電壓，而R1R2從5K歐10K歐，變成5歐10歐。這個(gè)時(shí)候，我們就會發(fā)現(xiàn)，輸出端的電壓就不是9.9V了，而是608.929mV，很明顯不可能是誤差導(dǎo)致的。所以我們可以得出結(jié)論外界電阻不能過小。

如下，我們正常接入3.3V電壓，而R1R2從5K歐10K歐，變成5M歐10M歐?？梢钥吹?，輸出電壓值為9.7，距離9.9V有0.2V的偏差，很明顯這個(gè)偏差還是非常大的。所以阻值也不能選擇過大。

我們需要知道，放大電路其實(shí)是一種弱電系統(tǒng)，具有高靈敏度，容易受到環(huán)境和內(nèi)部噪聲的干擾。而當(dāng)實(shí)際電路中電阻過大，會增加其熱噪聲，容易引入干擾。所以我們外界的電阻盡量以千歐作為單位最佳。

線性區(qū)

但是我們使用放大電路的時(shí)候，需要避免接觸到飽和區(qū)，我們所使用的范圍就是線性區(qū)。線性區(qū)的范圍，也就是我們上面所說的最大動態(tài)范圍。這里的放大公式為Avo(Vp-Vn)，靠經(jīng)V+端的是Vp，靠近V-端的是Vn。(看上圖2.1.3)

上面說了虛斷一直有，虛短不一定。為什么呢?因?yàn)樘摂嘀饕且驗(yàn)檫\(yùn)放內(nèi)阻非常大所導(dǎo)致的，所以說，它會一直存在。

以下分別是運(yùn)放工作在線性區(qū)和飽和區(qū)的電流值，雖然值不同，但是很明顯。兩者測量出來的值的是十分小的，都可以忽略不計(jì)。故虛斷在線性區(qū)和飽和區(qū)都會存在。

而虛短不一樣，它依賴于電壓增益Avo非常非常的大，但是我們需要注意的一個(gè)地方就是，當(dāng)輸出電壓已經(jīng)處于飽和狀態(tài)的時(shí)候，Avo的值并不是無窮大的。這樣就做不到虛短的效果。

舉個(gè)例子，假設(shè)當(dāng)前運(yùn)放電路為飽和電壓12V，Vp為6V，Avo為4，那么Vn就是6-(12/4)=3V。但是我們換一個(gè)假設(shè)，此時(shí)運(yùn)放電路的輸出電壓10V，Vp為6V，Avo為10000，那么Vn就是6-(10/10000)=5.9999V，此時(shí)Vp和Vn幾乎相等。就是虛短。

以下分別是運(yùn)放工作在線性區(qū)和飽和區(qū)的電壓值。我們可以看到，線性區(qū)的電壓依舊是非常小的，可以忽略不記。但是飽和區(qū)這個(gè)時(shí)候的電壓我們看到了有將近1.5V的電壓，這個(gè)肯定就做不到忽略不計(jì)了。

所以說，虛短線性區(qū)才有，飽和區(qū)沒有。

總結(jié)：

⑴運(yùn)放有負(fù)飽和區(qū)，線性區(qū)，正飽和區(qū)。

⑵飽和區(qū)的值受V+V-，以及輸出端RL影響。

⑶我們使用運(yùn)放進(jìn)行放大的時(shí)候，是使用的線性區(qū)，注意不要因?yàn)轱柡蛥^(qū)導(dǎo)致無法進(jìn)行電壓放大。⑷虛斷一直有，虛短只有在線性區(qū)才存在。

反饋介紹

我們將輸出信號V0再返回輸入端的過程稱為反饋。一般來說，只要是輸入端和輸出端有聯(lián)系就稱之為反饋，而輸入端和輸出端沒有聯(lián)系就一定沒有返回。

為什么說一般有聯(lián)系就稱之為反饋呢?先看上圖，我們可以知道輸出電壓u0經(jīng)過R1R2的分壓，流回電壓信號到了反向端。但是看下圖，因?yàn)閮H僅只有一個(gè)R存在，所以運(yùn)放的正向輸入端電壓永遠(yuǎn)為0V，運(yùn)放的輸出信號沒有反饋到運(yùn)放的輸入端。那么我們可以得出結(jié)論，上面是存在反饋電路的，下面沒有反饋電路。

正負(fù)反饋的簡單介紹

正負(fù)反饋我們可以簡單的理解，當(dāng)輸出信號接到反向輸入端就是負(fù)反饋，接到正向輸入端就是正反饋。但是我們需要知道，這對單級放大電路來說是對的，對多級放大電路不一定。那么我們怎么知道一個(gè)比較絕對的判斷方法呢?就是使運(yùn)放Vp-Vn減小是叫做負(fù)反饋，那么讓Vp-Vn增大的是不是就叫做正反饋。因此，我們也就可以知道了何時(shí)采用正反饋，何時(shí)采用負(fù)反饋了。

注意：本文僅簡單介紹負(fù)反饋，之后我會專門寫一篇關(guān)于反饋的博客。

我們之前說了在電壓放大時(shí)候，放大增益Avo是非常大的。這樣我們就需要Vp和Vn值非常接近，差值可能只有幾微伏到幾十微伏，這樣給實(shí)際電路操作時(shí)候增加了很大的難度。于是就我們就要減少Vp-Vn，采用負(fù)反饋。

負(fù)反饋系統(tǒng)如下