运放的原理与使用

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1、幻灯片1正如我们所知，利用不同的晶体管可以构造开关，振荡器，放大器，调节器等等，但是用分立元件组成的电路用起来不是太方便。晶体管是我们最感兴趣的电路基本元件，我们通常将它们接成标准电路形式以提高电路的功能并获得更好的性能。当然，这导致了器件的多样性甚至出现新的器件，例如数模电路的分离。其中一个应用最广的高性能模拟器件就是运算放大器（通常简称运放）。运放是一个差分放大器（有两个输入并且输出电压放大的是两个输入电压的差值）。幻灯片2这是用一个简单的水的动力学情况来类比运放的动力学特性。由于两个输入端的

2、差值为有限数值，当同相输入和反相输入不同时，平衡被破坏，蓝色片转动并且将输出连接到两个供电电源中的一个上，使输出不是正的电源电压就是负的电源电压+V/-V。当同相输入和反相输入相等即平衡恢复之后，输出又一次归零。通过这个类比是想说明:要得到输出为正负电源电压之间的某个数值这样一种状态的输入值是非常困难的。幻灯片3运放是一个高增益的差分放大器，容易看出，在一百万的增益下，两个输入之间只需存在几微伏的电压差就能使放大器进入饱和区，输出很快就会达到供电的电源电压。假如同相输入端的电压比反相输入端电压高，

3、那么放大器饱和于正电源电压。对图中给定波形，当从反相端输入端输入时，输出的相位与输入相反，而当其从同相端输入端输入时，输出的相位与输入相同。幻灯片4理想的运算放大器，其增益无穷大、输入阻抗无穷大以及输出阻抗任意小。当然，其中任一条都是在理想条件下得出的，如果我们使用这些理想参数来设计电路，则设计过程将得到简化。很显然理想的放大器是很完美的，无穷大的输入阻抗就意味着它对任何电路都不会形成载荷，另外，它还可以驱动任何负载而不会出现输出的下降。正如我们所知，因为它具有无穷大的增益，因此，可以利用反馈来获

4、得我们希望的任何增益。使用运放的难点在于A（增益）不恒定，它要随着器件的不同而改变，并且还和温度及运行情况有关。因此，在利用运放进行电路设计时应使电路不依赖运放的开环增益。幻灯片5上图所示是一个常用的运放模型。两个输入端间有任意高的输入阻抗，这样运放就相当于一个具有极高增益的受控电压源。但实际上利用一组简单的规则(就像BJT晶体管)，我们可以更有效地设计和分析运放电路。因此我们通常不用这个模型对运放进行分析计算，我个人认为电路模型更多地用于电路中而不是电子学中。幻灯片6现在我们开始接触实际的运放，

5、它们同理想的运放很相似，实际运放的特点如图上所示，另外你还必须意识到运放的增益A和很多因素都有关。幻灯片7一个观察运放比较好的做法就是将输出电压与输入电压联系起来。由于我们只关心差分电压输入，横轴为输入电压的差值，而纵轴是输出电压。图中曲线斜率就是A（运放的开环增益），而水平线的区域是运放的饱和区域。运放饱和时，输出不是等于正的电源电压就是负的电源电压。注意，由于A很大，曲线的斜率很陡。因此两个轴采用的单位不同，输入单位使用微伏而输出单位使用伏。幻灯片8图中有一个衰减器，它用于将输出量缩小从而便于

6、测量。这个80分贝的衰减器就像一个恒定的阻抗，可以将电压缩小10000倍。幻灯片9具有高开环增益的运放，一个应用就是作为比较器。假如输入电压（Vin）高于设定电压值，那么输出就是正的电源电压，否则输出就是负的电源电压。因为运放的开环增益非常高，因此不可能将输出设定在两个值（正的电源电压和负的电源电压之间）。幻灯片10几乎所有的运放应用电路都存在有负反馈，这时，部分输出电压被反馈到运放的反相输入端。由于运放的增益很大，输出也很大，又由于输出被反馈到反相输入端，输入被削弱，因而使得输出减小。很快的，运

7、放达到稳定点（工作点）。这正是高增益的优势，它使器件快速到达工作点（也叫硬特性）。注意因为增益A很大，所以工作点将与增益A无关。幻灯片11这是针对含有反馈的运放的两条默认的规则。第一条简单地表述为：如果电压差为零，那么输出为零，这与理想运放的情况相符。电流规则可以理解为：一个输入电流能产生一个内在电压，运放则通过调整输出电压来抵消这个内在电压。这与上面的规则相同，只不过是用输入端的有效电流形式来表述的。幻灯片12采用负反馈的最常见电路形式有两种。反馈通常引回至反相输入端（负反馈）。但是信号既可以从

8、反相端输入（反向放大器），也可以从同相端输入，（同相放大器）。反馈的强度（多少输出被反馈回来）将决定电路的增益。幻灯片13这里信号从放大器的同相端输入，输出电压直接反馈到反向输入端。运放对信号进行放大并不断调整，直到同相端和反相端的输入电压相同。当然，此时一定有输出电压等于输入电压。因此缓冲器的增益为1（输出的电压就如同输入电压）。运放的输入阻抗很高而输出阻抗很低，这一阻抗转换的作用会产生功率增益。通常，当两个输入端都用到时，可以使用输入端电压相等的规则。这里没有用电流为零的规则（