文章目录
1. 运算放大器
1.1. 运放及其表示
运算放大器是用于电路中信号运算与变换的重要元件。
电路原理课中,通常使用五端虚拟放大器进行模拟。元件如下:
1、2端为输入端,其中1称为同相输入端,2称为反相输入端。
3、4端为供电端,其中3接正电压,4接负电压。
5端为输出端,是运算的输出结果。
1.2. 运算放大器的传输特性
1.2.1.基本电气参数
- 供电电压
。C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压。
另外常有
- :D=device 表示器件的意思, 即单极器件内部的 工作电压;MOS中漏极电压。
- :S=series 表示公共连接的意思,通常指电路公共接地端电压
- :负电压供电;场效应管的源极(S)
- 开环放大倍数 ,其满足
- 输入电阻 :输入端口的电阻,一般为MΩ级。
- 输出电阻 :输出端口的电阻,一般为Ω级。
- 饱和电压 :饱和区对应的稳定的输出电压
1.2.2. 传输特性
如图:
- 由于有饱和电压,运放的放大关系 只能维持在输出电压绝对值较小的一个区间内。即 。这个区间称为线性区。
- 超出之后,只能维持饱和电压。理想运放的工作特性决定于饱和电压。
- 实际电压进入饱和区之前是一段渐进过程,理想情况认为是有棱角的。
1.2.3. 电路等效模型,以及电阻量级的选用
等效为利用输入的电压进行控制的受控源。
这里的
和
会给我们理解输入、输出电阻提供一个很好的直观。
借助分压规律,我们可以得到输入、输出电阻和外电阻的量级选取原则:
- 对于输入电阻,为了使接入的电压尽可能分在运放上,应当使得 尽可能大,通常(容易达到且相对理想地)为MΩ量级。
- 对于输出电阻,为了使输出的电压不要消耗在内电阻上,应当使得 尽可能效,通常为Ω量级。
- 对于外电阻,要介于两者之间,既要满足几个忽略关系(忽略输入的电压损耗,输出的内电压),又要保证不对运放内部的电阻提出过高要求,应为kΩ量级。
1.2.4. 理想运放与虚短、虚断
在前一目的分析基础上,我们可以发现运放的几个“好”的特性,即:输入电阻大、输出电阻大。我们可以把这几个指标极致化,从而利用理想运放简化电路的原理性分析。
对于运算放大器来说,合理的工作电压有一个区间,也就是我们所说的线性区(如同我们在仿真中看到的一样,否则会爆上界)。
如果我们将放大倍数继续增大,可以使得传输特性进一步得到优化,线性区被确定地卡在0处。这将有利于我们的分析。
综上,对于理想运放来说,有如下几条假设:
- 开环增益A为无限大。
- 输入电阻为无限大。
- 输出电阻为0。
从而为了不饱和,输入电压
。看起来输入端口是一个短路端口。称为虚短
内部电阻也为无限大。从而电流
均为0。称为虚断
这两个分析的观点列于此:
1.3. 利用运放实现信号放大功能
1.3.1. 反馈电路
直接将运算放大器接入电路发挥放大作用,有如下几个弊端:
- 线性区有限,且输入的微小变化对输出结果影响显著,不易保证系统鲁棒性。
- 不同的运算放大器开环增益相差很大,因而为了实现指定的放大倍数,需要寻找与之匹配的运放才能构成买组要求的放大电路。
- 运放的开环增益随温度变化而变化。迁移性差。
为了解决这个问题,我们使用负反馈方法。将一部分输出引到运放的反相输入端:
若有一个正向噪声,显然输入电压会增大,那么结果是输出电压负向增大,使得接回之后正向噪声被抵消。
至于正反馈电路,若有噪声,结果会如生态系统的系统的崩溃一样,很快趋于正向或负向饱和,失去放大的运算功能。
在上面这个电路中,我们采取理想等效。那么有
于是:
解得:
这个结果表明,负反馈的设计解决了运放的三大尴尬难题。
- 运放输入电压只需有 ,可以通过电阻大小,改善电压不易选取的问题。另外负反馈还使得线性区的稳定性增加了。
- 不同运放的开环增益对放大倍数没有影响,仅受电阻调控,同时也解决了温度的影响
1.3.2. 负反馈理想运放电路分析方法
核心的想法只有两个:虚短和虚断。
注意:虚短虚断是理想运放在线性区工作的等效结果。
以上面这个反相比例放大器为例,利用虚短虚断来分析。由虚断可得
所以得到这样的方程:
故而得:
.
等效为这样的分压关系:
同相放大器的分压是一个简单的串联分压关系。
1.3.3. 减法器——同相放大器和反相放大器的综合应用
首先为了靠近减法的思路,我们应该将一个同相和一个反相并在输入端两个端钮上。从而利用放大器的输入端的相减特性,可以构造出减法器。
同时,我们(看起来像瞎猜地)猜想:
实际上由虚断得:
;虚短得:
可以得到上述的结论。
为了实现减法,我们要使得上述的减式的两项系数相等。可行的解法是将
分压。如下图:
1.3.4. 再谈理想运放的分析——复杂外路
理想运放并不能确定输出电流的值。所以一旦有某个输出端接入电路,在分析的时候,会多出一个输出电压,同时多拆出一个KCL,所以仍然可解,但是要注意这一点。这就暗含这二端口+并联电路的分析思路。
先由虚短以及分压关系可以各自定出运放的上(面那个)端的电压值。
然后对图中所示点列KCL,有
其中
二端口分析例:
求如下电路的转移参数
正规连接