三點出發,學習運算放大器不再“犯難”

三點出發,學習運算放大器不再“犯難”

模擬電子電路中關於運算放大器的使用,什麼同相比例放大電路、反相比例放大電路、加法電路等,不同的結構和不同輸入輸出公式。當時沒好好學,沒有認真思考為什麼這樣,一味的死記硬背以應付考試。隨著時間的流逝,記憶漸漸模糊,等到實際搭電路測試時發現輸出電壓和書上的結果完全不一樣,(此處的原因說明省略100字)。最後經過現實的“洗禮”,發現運算放大器使用只要搞清楚以下幾點,就不再難了,若有不對的地方,還請指正。

第一點:負反饋

這一點很重要,運算放大器電路必須要接成負反饋(實現比較器功能除外)的形式,說的直白一點就是運算放大器的輸出端必須反饋至反相輸入端。

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_圖1(a)負反饋接法

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圖1(b)正反饋接法_

第二點:虛斷、虛短

1)運算放大器的輸入阻抗很大,可視為開路,因此分析時可視為流入運算放大器引腳的電流為零,這就是虛斷。

2)虛短就是運算放大器的正相輸入端電壓與反相輸入端電壓相等,即Vp=Vn。為什麼會這樣呢,如圖2所示的電路,由於運入有虛斷的特性,那麼電阻R3上沒有電流,因此Vp=Vi,當該電路剛通電時,Vo=0V,此時Vn=0V,因此運算放大器的淨輸入電壓為Vp-Vn=Vi,由於運算放大器的開環放大倍數的存在,Vo開始升高,由於Vn=Vo*R2/(R2+R1),因此Vn也開始升高,從而導到淨輸入電壓Vp-Vn變小,最終電路會達到一個平衡的狀態,此時Vp=Vn,也就是虛短。

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圖2 同相放大電路

根據以上兩點,運算放大電路的輸入輸出關係就可以寫出來了,還時以圖2所示的電路作為例子來說明,
根據虛斷的特性,可以得出以下兩個重要的特性

1)電阻R3上沒有電流,即Vp=Vi
2)流過電阻R2的電流就是流過電阻R1的電流,即I1=I2,因此有

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(1)


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(2)


根據虛短的特性,Vn=Vp=Vi,因此有

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(3)

式(3)就是該運算放大電路的輸入輸出公式。

到了這裡,是不是就可以了?

答案是NO,還有一點需要注意,不然電路可能還是不能正常工作。那就是需要關注輸出電壓的大,即,第三點:輸出電壓不能超出範圍。

第三點:輸出電壓不能超出範圍

如何理解這一點呢?這裡還是以同相放大電路為例,假設該電路的參數為:
運放的供電採用雙電源供電,即電壓是±5V
R1=1K,R2=2K
Vi=2V

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圖1 同相放大電路

根據同相放大電路的公式,輸出電壓為

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(1)

如果真的搭了這樣的一個電路,真的可以輸出6V電壓嗎?

顯然不可能,因為運放的供電電壓最大也只有5V,也就是說該運放在這種狀態下輸出的電壓不可能超過5V。這裡還做一個假設,假設該運放是軌至軌的,即最大可輸出的電壓為供電電壓,即最大可輸出5V,最小可輸出-5V。

也就是說當輸入電壓Vi在-1.67V~1.67V之間時,輸入輸出滿足關係統式(1),超出這個範圍就不再滿足該關係,圖2就是該電壓的輸入輸出關係曲線。

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圖2 雙電源供電的同相放大電路輸入輸出曲線

在實際電路設計中還有一種很常用的供電方法,即採用單電源供電,即


運放的供電採用單電源供電,即電壓是5V,0V
R1=1K,R2=2K

對於這樣的電路參數,其實思路是一樣的,最大可輸出5V,最小可輸出0V(假設該運放是軌至軌的),下圖是單電源供電時輸入輸出曲線

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圖3 單電源供電的同相放大電路輸入輸出曲線

總結

因此運算放大器電路的分析和設計只要記住或搞清楚以下三點,我想就不會再難了。

負反饋接法
理解和應用虛斷、虛短特性
輸出電壓不能超出運放的供電電壓的範圍



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