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运算放大器概述 运算放大器原理

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运算放大器原理(运算放大器概述)
运算放大器 ， 简称运放 ， 是一种集成放大器 ， 其特点是电压增益非常大(通常几万或几万以上) ， 输入阻抗高 ， 输出阻抗低 。这是一个理想的放大器 。至于名字前为什么加“运算”二字 ， 是因为这个装置本来就是用来计算的 。
当我们现在谈论电脑时 ， 我们肯定指的是数字电脑 ， 但当时并非如此 。20世纪40年代 ， 数字计算机的发展刚刚起步 ， 运算速度慢 ， 价格高 ， 发展前景不是很明朗 。在那个年代 ， 大量的计算工作是由模拟计算机完成的 。虽然模拟计算机的计算结果不是很精确 ， 但它们结构简单 ， 成本低 ， 运算速度快 ， 可用于许多场合 。(后面会介绍如何用运算放大器构成加减电路和积分微分电路) 。后来 ， 人们逐渐发明了运算放大器的许多其他用途 ， 如微信号放大器、比较器、振荡器、有源滤波器等等 。
1.理想运算放大器
对于理想的运算放大器 ， 我们假设开环电压增益无限大 ， 输入阻抗无限大 ， 输出阻抗为零 。其型号符号如下图所示:
图8-01.01
对于vi1 ， 它的输入有一个“+”号 ， 我们称之为同相输入 。对于vi2 ， 它的输入有一个“-”号 ， 我们称之为“反相输入” 。
理想的运算放大器具有以下两个重要特性:
[1]输入电流为0；
[2]两个输入之间的电压差始终为0 。
很容易理解 ， 点[1]的输入电流为0 ， 因为我们把运算放大器的输入阻抗看成无限大 ， 所以类似于开路 。但是 ， 点[2]有些神奇 。对于一般的电路 ， 只有在两个端子之间连接一根导线使其短路 ， 才能使这两个端子之间的电压差始终为0 。但由于点[1]的限制 ， 理想运算放大器的两个输入端都没有电流流过 ， 所以不是短路；但是两端的电压差始终保持在0 ， 就像每隔空同步一样 。所以有一个专门的名字来形容这种现象 ， 叫做虚短 。虽然实践中没有这种神奇的装置 ， 但我可以接受这个假设 ， 因为我们只是在抽象一个理想化的模型 。对各种理想运算放大器电路的分析都是基于理想运算放大器的两个特性 。(题外话 ， 如果你以后学习了信号处理与分析的相关知识 ， 就会明白不足是运算放大器内部深度负反馈设计导致的必然结果 。)
我们再来看看输出 。既然两路输入的电压差为0 ， 电压放大倍数为无穷大 ， 那么输出电压是多少？0乘以无穷大是多少？这是理想运算放大器的另一个神奇之处 。因为0乘以无穷大可以是任何值 ， 所以理想运算放大器的输出也可以是任何值 。输出多少伏特完全取决于外部电路的配置 。
(顺便说一下 ， 在实际的运算放大器器件中 ， 输入电流并不完全为零 ， 而是有非常小的电流流入运算放大器；并且两个输入端之间的电压差不完全为零 ， 而是具有几微伏的小电压 。就是这个几微伏的电压 ， 可以乘以几万量级的电压增益 ， 得到几伏到十几伏的输出电压 。此外 ， 能够输出的最大电压受到运算放大器的电源电压VCC的限制 。)
2.反相放大器
放大器最基本的应用之一是放大电压信号 。虽然它的开环电压增益是无限的 ， 但我们并不是要无限放大输入信号 。就像我们之前介绍的各种BJT和FET放大电路一样 ， 我们想要的是通过配置外围电路的电阻值来获得想要的电压放大 。
下图显示了一个使用运算放大器的最简单的放大器电路(这里 ， 输入和输出电压都用交流相量符号表示):
图8-01.02
电路的工作条件分析如下:
电路的同相工作端接地 ， 电压值为0V 。根据理想运算放大器的虚拟短路特性 ， V1点的电压也必须是0V 。那么 ， 根据欧姆定律 ， 流过电阻R1的电流为:
由于没有电流可以流入理想运算放大器的输入端 ， 因此电流I1不会被分流 ， 而是全部流向Rf 。根据欧姆定律 ， 输出端的电压Vo为:
电路的实际电压增益为:
的负号表示输出电压的极性与输入电压的极性相反 ， 所以这种结构的放大器电路称为反相放大器 ， 有时也称为反相比例放大器 。
因为输出和输入之间有一个电阻Rf ， 它的作用是在输出和输入之间建立一个反馈通道 ， 不是开环增益那样的纯单向增益 ， 所以这个电路的实际电压增益也叫闭环增益 。一般情况下 ， 闭环增益比开环增益小得多 ， 其值不取决于器件的原始性能 ， 而取决于电路的结构和配置 。
3.非反相放大器
同相放大器的电路结构如下图所示:
【运算放大器概述 运算放大器原理】图8-01.03
电路的工作条件分析如下:
根据欧姆定律 ， 运算放大器反相输入的端电压V1计算如下:
根据理想运算放大器的虚拟短路特性 ， V1上的电压等于输入电压Vi ， 因此上述公式可以写成:
因此 ， 电路的实际电压增益为:
增益表达式中没有负号 ， 输出电压的极性与输入电压的极性相同 。因此 ， 这种结构的放大器电路称为同相放大器 。

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