電路基礎:Lec 25-運算放大電路基礎

2020-12-05 電子電路那些事兒

我將會用大約十篇文章把運放的最基本的知識介紹清楚,這是第一篇。

運放這個詞既熟悉又陌生,既簡單有不簡單,說它熟悉,是因為它的應用非常廣泛,經常聽說它,說它陌生,是因為運放內部的電路結構非常複雜,很難搞清楚。說它簡單,因為在設計運放電路時,可以避免電晶體電路的複雜參數計算,說它不簡單,因為很多時候運放並不理想,若按理想運放來設計電路,會導致結果錯誤。

1、什麼是運放

運放是運算放大器的簡稱。可以實現各種模擬電量的數學運算。但它不是用來做計算器上的加減乘除運算,而是在模擬信號處理過程中,可能需要將信號進行放大、加減乘除、積分、微分等操作。

①、運放的電路符號是:

pin 2、3為信號輸入、pin 4、7為電源輸入、pin 6為信號輸出。

②、輸入輸出關係:Uo = A * (Up-Un)

A為運放的放大倍數,這個數值非常非常大,近似為無窮大,Up與Un幾乎相等。Uo,Up,Un為正常的數值。這個表達式初看太奇怪了,但是它確實那麼的有用,大大簡化了電路的設計,後面會慢慢解釋。

③、最重要的性質:「虛短」和「虛斷」

虛短:因為上面表達式中Up與Un幾乎相等,所以pin 2、3近似短路,但不是真的短路,所以叫虛短。

虛斷:pin 2、3的輸入阻抗非常大,至少在1Mohm。所以可以認為Pin2、3上的輸入電流為零,所以叫虛斷。

2、反相比例運放電路

只要記住Uo = A * (Up-Un)和「虛短」、「虛斷」,理想運放的電路都能看懂。這裡先不要糾結為什麼會是這樣,有機會後面會介紹。這裡先介紹一個最簡單的運放電路:反相比例放大電路。

反相比例運放電路原理圖

①、根據虛斷原理,運放輸入端的兩個管腳輸入電流為零,所以不管R4阻值是多少,都有Up=0;

②、根據虛短原理,Un=Up,所以Un也等於零。

③、根據基爾霍夫定理就可以求出:Uo=-Rf/R1 * Ui

反相比例運放仿真結果

④、理論上,R2和RL的阻值不會影響放大倍數,但是實際的運放需要設計R2=R1 || Rf,因為這樣一來,運放的同相端和反相端往外看的阻抗才一樣大。

⑤、從仿真結果可以看出反向比例放大器的輸出與輸入波形ui是精確的5倍的關係。

3、總結

理想運放如此簡單,我們根本不需要了解運放裡面的東西,不需要像三極體那樣考慮它到底工作在哪個區,不需要考慮密勒效應,輸入輸出阻抗等等,只需要用電阻分壓的方法就能得到想要的精確的放大倍數。用起來簡單,性能又好,這是運放廣泛應用的重要原因。

反相比例運放是我們認識運放的第一個例子。也是最簡單,最基礎的應用,後面會慢慢介紹其他的電路,以及實際運放的應用。

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