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[经验] 从这三点出发,学习运算放大器不再“犯难”

2020-3-11 07:00:00  1018 运算放大器 负反馈
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导读
记得大学时学习模拟电子电路中关于运算放大器的使用,什么同相比例放大电路、反相比例放大电路、加法电路等,不同的结构和不同输入输出公式。当时没好好学,没有认真思考为什么这样,一味的死记硬背以应付考试。随着时间的流逝,记忆渐渐模糊,等到实际搭电路测试时发现输出电压和书上的结果完全不一样,(此处的原因说明省略100字)。最后经过现实的“洗礼”,发现运算放大器使用只要搞清楚以下几点,就不再难了,若有不对的地方,还请指正。
第一点:负反馈
这一点很重要,运算放大器电路必须要接成负反馈(实现比较器功能除外)的形式,说的直白一点就是运算放大器的输出端必须反馈至反相输入端。

_图1(a)负反馈接法

1(b)正反馈接法_
第二点:虚断、虚短
1)运算放大器的输入阻抗很大,可视为开路,因此分析时可视为流入运算放大器引脚的电流为零,这就是虚断。
2)虚短就是运算放大器的正相输入端电压与反相输入端电压相等,即Vp=Vn。为什么会这样呢,如图2所示的电路,由于运入有虚断的特性,那么电阻R3上没有电流,因此Vp=Vi,当该电路刚通电时,Vo=0V,此时Vn=0V,因此运算放大器的净输入电压为Vp-Vn=Vi,由于运算放大器的开环放大倍数的存在,Vo开始升高,由于Vn=Vo*R2/(R2+R1),因此Vn也开始升高,从而导到净输入电压Vp-Vn变小,最终电路会达到一个平衡的状态,此时Vp=Vn,也就是虚短。

2 同相放大电路
根据以上两点,运算放大电路的输入输出关系就可以写出来了,还时以图2所示的电路作为例子来说明,
根据虚断的特性,可以得出以下两个重要的特性
1)电阻R3上没有电流,即Vp=Vi
2)流过电阻R2的电流就是流过电阻R1的电流,即I1=I2,因此有
(1)

(2)

根据虚短的特性,Vn=Vp=Vi,因此有
(3)
式(3)就是该运算放大电路的输入输出公式。
到了这里,是不是就可以了?
答案是NO,还有一点需要注意,不然电路可能还是不能正常工作。那就是需要关注输出电压的大,即,第三点:输出电压不能超出范围。
第三点:输出电压不能超出范围
如何理解这一点呢?这里还是以同相放大电路为例,假设该电路的参数为:
运放的供电采用双电源供电,即电压是±5V
R1=1K,R2=2K
Vi=2V

1 同相放大电路
根据同相放大电路的公式,输出电压为
(1)

如果真的搭了这样的一个电路,真的可以输出6V电压吗?
显然不可能,因为运放的供电电压最大也只有5V,也就是说该运放在这种状态下输出的电压不可能超过5V。这里还做一个假设,假设该运放是轨至轨的,即最大可输出的电压为供电电压,即最大可输出5V,最小可输出-5V。
也就是说当输入电压Vi在-1.67V~1.67V之间时,输入输出满足关系统式(1),超出这个范围就不再满足该关系,图2就是该电压的输入输出关系曲线。

2 双电源供电的同相放大电路输入输出曲线
在实际电路设计中还有一种很常用的供电方法,即采用单电源供电,即
运放的供电采用单电源供电,即电压是5V,0V
R1=1K,R2=2K
对于这样的电路参数,其实思路是一样的,最大可输出5V,最小可输出0V(假设该运放是轨至轨的),下图是单电源供电时输入输出曲线

3 单电源供电的同相放大电路输入输出曲线
总结
因此运算放大器电路的分析和设计只要记住或搞清楚以下三点,我想就不会再难了。
负反馈接法
理解和应用虚断、虚短特性
输出电压不能超出运放的供电电压的范围

sdlifei 2020-3-11 11:04:21
不错,讲的很透彻。但是现在放大系数应该都是可以将1忽略的电路,我也不懂
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yiran19880808 2020-3-12 08:43:51
谢谢分享,学习了!
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yueyujie 2020-3-12 20:22:31
很基础的东西,评论完再慢慢看
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huihui163 2020-3-18 08:36:18
入门知识讲的非常好
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huihui163 2020-3-18 08:40:24
这个必须要接负反馈的形式,这个肯定是不对的
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youzizz 2020-3-18 16:11:48
讲的真好,6666666
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cooldog123pp 2020-3-21 10:00:24
这是好经验,多谢了
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water198306 4 小时前
{:1:}
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