運算放大器的基本知識

• 前言
• 一、運放基本說明
  • 1.1 基本認識
  • 1.2 運放中的電流
  • 1.3 運放工作特性
• 二、負反饋
  • 2.1 什么是負反饋？
  • 2.2 為什么要引入負反饋？負反饋電路分析
  • 2.3 正反饋
• 三、提一下虛短與虛斷
• 結(jié)語

前言

最近在某個傳感器產(chǎn)品上面用到了運算放大器，然后在進行電路設(shè)計的時候遇到一些細節(jié)，還去翻閱筆記，查找了相關(guān)的資料。

運放作為電子設(shè)計的基礎(chǔ)元器件之一，在我的博文中還不曾來好好說明介紹一下，正好借此機會，我們從應(yīng)用的角度來聊一聊運算放大器。

我是矜辰所致，全網(wǎng)同名，盡量用心寫好每一系列文章，不浮夸，不將就，認真對待學知識的我們，矜辰所致，金石為開！

一、運放基本說明

說到運放，在相關(guān)專業(yè)大學課本模擬電子技術(shù)一書中可是花費了很多章節(jié)來講述，但是實際上我回頭看了一遍課本…… 不太看得下去……

因為在講運放的開始模電書上就給你一張運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖，類似下圖（書上的圖我沒特意去找）：

然后就開始各種理論分析了……

我們本文從應(yīng)用的角度，為了讓大家能夠 快速的分析基本運放電路 的角度出發(fā)，來說明一下運算放大器的基本知識。

1.1 基本認識

先來點基本知識，這些應(yīng)該都是書本上、網(wǎng)絡(luò)上的一些基本概要，走個過場 = =！。

基本的運算放大器如圖所示：

對運算放大器做一些基礎(chǔ)的說明（我都忘了以前從哪里抄下來的記在筆記本上的，先走個過場，）：

1、引腳端口：

有兩個輸入端口：同相（+）輸入端 和 反向（-）輸入端，一個輸出端口，然后 2個 供電引腳。

2、信號輸入：

當輸入信號從 “-” 端口輸入放大器時，輸出端的輸出信號與輸入信號反相;

當輸入信號從 “+” 端口輸入放大器時，輸出端的輸出信號與輸入信號同相;

當兩個輸入端口同時輸入信號時，運算放大器實現(xiàn)減數(shù)運算，輸出信號與較大的一方同相。

3、理想運放：

一個理想的運算放大器必須具備下列特性（這些東西是理論東西，就算不懂這些名詞，也不影響后面我們會使用運放）：

無限大的 輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開環(huán)回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。

特別說明，本文的討論是基于 “理想的運算放大器”，并且是通用的運算放大器，特殊用途的不在此討論范圍。

下面開始的這些點，就是理解運放工作的要點了 ?。?！

1.2 運放中的電流

先來說說運放工作時候的電流：

運放的輸入端是沒有電流流入或者流出的?。。?！ 但是輸出端是可以經(jīng)過電流的?。?！

知道這一點是進行后面分析的基礎(chǔ)，要說為什么運放輸出端是沒有電流的，因為他有著無限大 的輸入阻抗。

輸出端的電流流向如下圖所示（電流通過正電源流向輸出，或者通過輸出流向負電源）：

輸出端的這些電流是由運放的供電端提供的，其實這里也可以稍微理解一下，為什么運放的輸出最大值不可能超過供電電源，輸出的最小值不可能低于負電源（ 電流是從電壓高的地方流向電壓低的地方 ）。

1.3 運放工作特性

運放 Vout 的公式：

Vout = 開環(huán)增益* ( Vin+ - Vin-)

. 開環(huán)增益你可以理解為運放本身的“放大倍數(shù)”，他是一個很大很大的值，理想運放這個值都是 無限大。 . 所以公式最后基本就是 Vout = 無限大 * 同向輸入端與反向輸入端的差值。

通過這個東西可以告訴我們一個運放的特性（要記?。?/p>

假如運放的 正輸入端的電壓 高于 負輸入端的電壓 ，即便只高一點點，由于開環(huán)增益 無限大，所以他還是會產(chǎn)生他能夠輸出的最大正電壓 。

相反的，假如運放的 正輸入端的電壓 低于 負輸入端的電壓 ，所以他還是會產(chǎn)生他能夠輸出的最大負電壓 。

對于 負電源接 0V 的場合，那么他能產(chǎn)生的最大負電壓也只能是 0 V。

運放作為比較器的應(yīng)用就是用到了運放的這種工作特性，我曾經(jīng)寫過使用運放 作 比較器的文章：

缺少比較器，運放來救場?。ㄟ\放當做比較器電路記錄）

二、負反饋

在運放電路中，我們經(jīng)常聽到負反饋，什么是負反饋？ 為什么要引入負反饋？

2.1 什么是負反饋？

簡單來說，負反饋就是把輸出端的電壓，引入到 負輸入端的操作，如下圖：

上面 Vout 電壓通過 R1 電阻引入到 Vin- 端，形成了一個負反饋電路。

2.2 為什么要引入負反饋？負反饋電路分析

在上面我們介紹運放工作特性的時候知道，如果沒有反饋，那么運放好像只能用作比較器。這種輸入與輸出并不存在正常的數(shù)學運算的工作方式可能并不是我們想要的。

所以，我們想輸出一個穩(wěn)定的可以計算的電壓，就需要引入負反饋，下面是一個最簡單的負反饋電路分析：

下面的分析還是基于上面的 1.3 小節(jié) 運放的工作特性，那個運放的工作特性是需要記住的重點！

只要記住了運放的工作特性，那么所有的反饋都可以以此為基礎(chǔ)進行分析。

我們舉一個簡單的例子：

上圖中已經(jīng)給出了大部分分析， 分析的前提是基于 運放的輸入端沒有電流流入，和 運放的工作特性，正輸入端 與負輸入端在在穩(wěn)定下來的電路中會基本相等。

上圖中繼續(xù)計算：

( 0 - Vout) / R1 = Vin- /R2 Vout = - (R1/ R2) * Vin-

這里我們只是舉了一個簡單的例子應(yīng)用本文的理論知識進行說明計算，后續(xù)我應(yīng)該會單獨寫一篇博文來記錄一下常用的運放電路分析。

2.3 正反饋

然后有的朋友還會有疑問，既然有負反饋，那么是不是也有正反饋？

正反饋肯定是有的，但是本文并不打算分析正反饋，我簡單的用幾句話說明一下：

負反饋降低了電路的放大能力，但能夠改善電路的放大性能，減小了波動，電路穩(wěn)定性更好。

正反饋提高了電路的放大能力（可以自己根據(jù)運放特性想象一下）， 在正反饋中，輸入和輸出信號的相位相似，因此兩個信號相加，適用于振蕩電路中。

三、提一下虛短與虛斷

對于學習運放的朋友，看很多文章或者視頻，都會遇到 虛短與虛斷這兩個概念，很多的教學分析都是基于這兩個概念的，其實只要了解 運放的特性，是否對于這兩個概念自然就懂了。

虛短：

其實就是在分析反饋電路的時候，根據(jù)運放的特性我們可以知道，電路最后的穩(wěn)定狀態(tài)，肯定是 Vin+ 基本等于 Vin- 的。

這種 Vin+ = Vin- ，在分析的時候就當成短路了一樣來分析，但又不是真正的短路，所以叫做虛短。

實際上記住運放的特性就明白了。

虛斷：

虛斷，其實也就指的是運放的輸入端沒有電流流入和流出。

就類似于電路斷開了就沒有電流了，所以分析的時候把兩個輸入端想象成斷開的，稱為虛斷。

其實只要知道運放的輸入阻抗非常非常高，這點也能很好的明白。

新手是否需要去記這個 虛短與虛斷 看個人把，但是通過本文的分析，你應(yīng)該什么都能夠理解了 = =！

結(jié)語

本文使用了幾個簡單的幾個知識點，說明了一下如何去理解分析運放。

1、 運放的輸入端是沒有電流流入或者流出的。

2、 假如運放的 正輸入端的電壓 低于 負輸入端的電壓 ，他會產(chǎn)生他能夠輸出的最大負電壓 ； 假如運放的 正輸入端的電壓 高于 負輸入端的電壓 ，他會產(chǎn)生他能夠輸出的最大正電壓 ；

如果能夠理解記住本文的內(nèi)容，那么大家在以后遇到運放電路分析的時候是大大的有幫助的，有些東西沒必要死記硬背，了解運放的特性和工作原理，可以讓你在面對不同的運放電路時，都能夠得心應(yīng)手。

當然，在實際應(yīng)用中我們常用的運放電路也就那么一些，有時間我會單獨寫一篇博文應(yīng)用本文的知識點進行分析。