模電的半壁江山——運(yùn)算放大器的原理和應(yīng)用

模電的半壁江山——運(yùn)算放大器的原理和應(yīng)用

大家學(xué)習(xí)電子都會(huì)接觸運(yùn)算放大器，常常聽到虛短虛斷一說。虛短虛斷是解開負(fù)反饋運(yùn)放電路的核心方法，具體就要從運(yùn)放的原理開始說起了。

拿LM741為例子?？梢詫?nèi)部電路圖分為A,B,C,D四個(gè)部分。A是差分輸入級(jí)。差分輸入有同相輸入和反相輸入兩個(gè)輸入端。主要作用是在放大差模信號(hào)型號(hào)的同時(shí)抑制共模信號(hào)，比如抑制溫度造成的零漂等，保證靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定，然后將放大后的信號(hào)送入C，中間放大級(jí)，將信號(hào)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的放大。最后通過D，甲乙類推挽輸出輸出信號(hào)，保證輸出信號(hào)的功率。B部分是電流源偏置，為芯片中的工作電路提供穩(wěn)定的工作電流。

運(yùn)放進(jìn)行封裝

將該電路封裝之后就剩兩個(gè)輸入端和輸出端。在原理圖中兩級(jí)的放大電路，所以運(yùn)放的一個(gè)特點(diǎn)是放大倍數(shù)理想下無限大，實(shí)際可以達(dá)到10000倍以上；運(yùn)放引入了鏡像恒流源，使輸入電阻接近于無窮大。所以先抓住運(yùn)放的兩個(gè)特點(diǎn)：輸入電阻極大，放大倍數(shù)極大，理想狀態(tài)都是無窮大。

然后引出輸出電壓計(jì)算。U0=U+-U-,即，輸出電壓=(同相輸入電壓-反相輸入電壓)*放大倍數(shù)。所以要是直接將該器件不引人，負(fù)反饋，因?yàn)榉糯蟊稊?shù)有10000以上，則只要同相和反相存在一定差值，比如0.001V，那么放大后的輸出的就可以10V以上，一般直接就是電源電壓了。

開環(huán)的運(yùn)放

這樣的開環(huán)電路可以作為比較器。將反相輸入作為參考電壓，則將同相最為一個(gè)輸入端。如果同相輸入電壓比反相輸入大，則輸出為正，否則就是輸出負(fù)電壓。要是在輸出端，接入穩(wěn)壓管，則可以輸出固定電壓。

引入穩(wěn)壓二極管

另一個(gè)重要的應(yīng)用就是用在放大。如上所說，要是直接這樣連接，無法放大我們想要放大的倍數(shù)。所以在這里引入負(fù)反饋。反饋就是將輸出引入輸入，在兩者之間形成關(guān)系，負(fù)反饋則是建立的聯(lián)系效果減弱了原先要改變方向的能力。比如我一開始向前走10步，引入反饋后我依舊往前走，但走了2步，向前走的步數(shù)減少了；要是走了20步，這就是正反饋，正反饋在正弦波發(fā)生電路應(yīng)用較大。

負(fù)反饋的引入

然后就是虛短，虛斷的引入。在引入負(fù)反饋后，輸出穩(wěn)定在某個(gè)值，比如2V，這時(shí)候我們反推，此時(shí)的同相和反相的電壓差值就是2/10000，這時(shí)候兩者的壓差基本可以忽略不計(jì)了，即此時(shí)的U+=U-。在深度負(fù)反饋下同相電壓等于反相電壓，就是虛短。由于輸入電阻無窮大，所以輸入到運(yùn)放的電流就是U/R,R是無窮大，則輸入電流為0，即I+=I-=0A，就是虛斷。虛短和虛短在搭建放大電路時(shí)計(jì)算參數(shù)十分方便的。如上圖的同相放大器，根據(jù)虛短，U-=U+=U；再根據(jù)虛斷，沒有電流通過反相輸入端流入運(yùn)放，則可以列出方程(0-U)/R1=(U-U0)/R2,就可以算出該電路的放大倍數(shù)。

同相負(fù)反饋電路

再如上圖，根據(jù)虛短U+=U-=0,根據(jù)虛斷(U-0)/R2=（0-U0）/R3,帶入可以算出U0=-U，即輸出電壓是輸入電壓的負(fù)數(shù)，我們可以根據(jù)這個(gè)原理搭建自己需要的電路，實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算，通過電容實(shí)現(xiàn)積分或者微分電路，根據(jù)二極管或者三極管，實(shí)現(xiàn)指數(shù)或者對(duì)數(shù)運(yùn)算。

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