乾貨|如何對運算放大器進行快速簡單的分析,看完秒懂!

1 運算放大器（OPAMP）

集成運算放大器有同向輸入端和反向輸入端，具體如下圖所示；

輸出電壓

滿足關係

，集成運放最終放大的是差模信號，在沒有引入反饋的情況下，電壓的放大倍數為差模開環放大倍數，這裡記作

，因此當運放工作在線性區域的時候，滿足

集成運放的電壓傳輸特性如下圖所示；

工作在線性區的時候，則曲線的斜率為電壓的放大倍數；

工作在非線性區的時候，即處於飽和狀態的情況下，輸出電壓為

或

；

2 虛短和虛斷

虛短前面提到，集成運算放大器的開環放大倍數很大，一般通用型的運算放大器的開環電壓放大倍數都在80 dB以上，但是運放的輸出電壓是有限制的，一般

在10V～14V，然而運放的差模輸入電壓不足1 mV，因此可以輸入兩端可以近似等電位，就相當於短路。 開環電壓放大倍數越大，兩輸入端的電位越接近相等，這種特性稱之為虛短。

虛斷集成運算放大器具有輸入高阻抗的特性，一般同向輸入端和反向輸入端的輸入電阻都在1MΩ以上，所以輸入端流入運放的電流往往小於1uA，遠小於輸入端外電路的電流。所以這裡通常可把運放的兩輸入端視為開路，並且運放的輸入電阻越大，同向和反向輸入兩端越接近開路。在運放處於線性狀態時，根據這個特性可以把兩輸入端視為等效開路，簡稱虛斷。

3 反向放大器

3.1 典型電路

3.2 放大倍數

根據虛短和虛斷，可以求出運算放大器的放大倍數：

假設流過電阻

的電流為

；流過電阻

的電流為

；

假設運算放大器同向輸入端電壓為

，反向輸入端電壓為

；

根據虛短，可以得到：

根據虛斷，可知電阻

和

為串聯關係：則滿足：

最終求代數式可以得到：

3.3 仿真結果

為 頻率50Hz，幅值為500mV的正弦波，具體設置如下圖所示；*[HTML]:

增益

；

所以輸入輸出關係為：

仿真結果如下圖所示；

4 同向放大器

4.1 雙電源

同向放大器同樣可以使用虛短虛斷去分析；具體電路如下圖所示；

推導過程：

假設流過電阻

的電流為

；流過電阻

的電流為

；

假設運算放大器同向輸入端電壓為

，反向輸入端電壓為

；

根據虛短，可以得到：

根據虛斷，可知電阻

和

為串聯關係：則滿足：

最終求解得到：

4.2 雙電源同向放大器仿真結果

為 頻率50Hz，幅值為500mV的正弦波，具體設置如下圖所示；

增益

；

所以輸入輸出關係為：

仿真結果如下圖所示；

4.3 單電源

與上面雙電源供電不同，如果運算放大器使用單電源，為了輸出正常，如果使用單電源供電，非反向放的OP放大器必須與地線關聯，如果

是接地，那

輸入端需要有

的壓降，這個可以通過電阻分壓得到。單電源的電路如下圖所示；

這裡增加了兩個20KΩ的分壓，在

端增加了2.5V的輸入電壓。

4.4 雙電源同向放大器仿真結果

輸入與上面的實驗相同此處不再贅述；

增益 ；

所以輸入輸出關係為：

5 總結

本文分析的運算放大器都是比較常用且簡單的類型，當前只給出了如何計算輸入和輸出的關係，如果作為硬體設計人員，還需要關注更多的細節，更多運算放大器的指標，失調電壓，溫漂等等。