放大器的工作原理

运算放大器(OPAMP)

2 虚短和虚断

3 反向放大器

3.1 典型电路

3.2 放大倍数

3.3 仿真结果

4 同向放大器

4.1 双电源

4.2 双电源同向放大器仿真结果

4.3 单电源

4.4 双电源同向放大器仿真结果

5 总结

1 运算放大器(OPAMP)

集成运算放大器有同向输入端和反向输入端，具体如下图所示;

输出电压 满足关系 ，集成运放最终放大的是差模信号，在没有引入反馈的情况下，电压的放大倍数为差模开环放大倍数，这里记作 ，因此当运放工作在线性区域的时候，满足

集成运放的电压传输特性如下图所示;

工作在线性区的时候，则曲线的斜率为电压的放大倍数;

工作在非线性区的时候，即处于饱和状态的情况下，输出电压为 或 ;

2 虚短和虚断

虚短前面提到，集成运算放大器的开环放大倍数很大，一般通用型的运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上，但是运放的输出电压是有限制的，一般 在10V～14V，然而运放的差模输入电压不足1 mV，因此可以输入两端可以近似等电位，就相当于 短路。 开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等，这种特性称之为虚短。

虚断集成运算放大器具有输入高阻抗的特性，一般同向输入端和反向输入端的输入电阻都在1MΩ以上，所以输入端流入运放的电流往往小于1uA，远小于输入端外电路的电流。所以这里通常可把运放的两输入端视为开路，并且运放的输入电阻越大，同向和反向输入两端越接近开路。在运放处于线性状态时，根据这个特性可以把两输入端视为等效开路，简称虚断。

3 反向放大器

3.1 典型电路

3.2 放大倍数

根据虚短和虚断，可以求出运算放大器的放大倍数：

假设流过电阻 的电流为 ;流过电阻 的电流为 ;

假设运算放大器同向输入端电压为 ，反向输入端电压为 ;

根据虚短，可以得到：

根据虚断，可知电阻 和 为串联关系：则满足：

最终求代数式可以得到：

3.3 仿真结果

为 频率50Hz，幅值为 500mV的正弦波，具体设置如下图所示;*[HTML]:

增益 ;

所以输入输出关系为：

仿真结果如下图所示;

4 同向放大器

4.1 双电源

同向放大器同样可以使用虚短虚断去分析;具体电路如下图所示;推导过程：

假设流过电阻 的电流为 ;流过电阻 的电流为 ;

假设运算放大器同向输入端电压为 ，反向输入端电压为 ;

根据虚短，可以得到：

根据虚断，可知电阻 和 为串联关系：则满足：

最终求解得到：

4.2 双电源同向放大器仿真结果

为 频率50Hz，幅值为 500mV的正弦波，具体设置如下图所示;

增益 ;

所以输入输出关系为：

仿真结果如下图所示;

4.3 单电源

与上面双电源供电不同，如果运算放大器使用单电源，为了输出正常，如果使用单电源供电，非反向放的OP放大器必须与地线关联，如果 是接地，那 输入端需要有 的压降，这个可以通过电阻分压得到。单电源的电路如下图所示;

这里增加了两个20KΩ的分压，在 端增加了2.5V的输入电压。

4.4 双电源同向放大器仿真结果

输入与上面的实验相同此处不再赘述;

增益 ;

所以输入输出关系为：

5 总结

本文分析的运算放大器都是比较常用且简单的类型，当前只给出了如何计算输入和输出的关系，如果作为硬件设计人员，还需要关注更多的细节，更多运算放大器的指标，失调电压，温漂等等，笔者能力有限，无法进行分析，如果单纯作为读懂一般的运算放大电路还是够用的。