一起来学习下运放的基础知识

运算放大器及其信号放大

集成运算放大器是一种应用极为广泛的模拟器件，用它可以非常方便的实现信号的放大、运算、变换等各种处理。常见的运算电路符号有矩形和三角形两种。

运算放大器符号

这里我们采用三角形符号，对于正号的端子称为同相输入端 ，常用vP表示它对地的电压。

对应的负号端子，称为反相输入端 ，常用vN表示它的电压。右侧端子称为输出端，vO表示输出电压。

注意：运放通常没有特定的接地端。所谓同相，反相是指输入端与输出端信号的相位关系。运算放大器正常工作时，也一定需要工作电源。所以除了信号输入输出端以外，还必须有两个接工作电源的端子。

这是双电源工作时电源的连接方式。

这是基础运放741双列直插封装的实物图片。

8个引脚中，除了信号输入端、输出端、电源端、5个引脚外，还有两个运用调零的端子。一个空的引脚，以满足双列直插偶数引脚的要求。

这里同样可以用端口等效模型来描述运算放大器，其中ri是输入电阻 ，ro是输出电阻 ，由受控源表达式看出，输出电压受同相端与反相端的电压差控制，Avo是负载开路时的电压增益 ，并且大于0，可以用电压传输特性来描述运放输出电压与输入电压之间的关系。

当以同相端与反相端输入压差作为横轴，输出电压为纵轴。那么运放的电压传输特性曲线大致可以分为3段，中间一段直线，反映了运放对输入电压的放大能力，直线的斜率就是电压的增益，这个区域也就是运放的线性工作区。当输入端电压差与增益的乘积超过工作电源电压时，输出电压受电源电压的限制，无法继续增加，特性曲线转为水平，这时称运放工作进入饱和区。

也就是说，输入电压只有在一定范围内，才能保证运放工作在线性区。

运放的增益越高，线性区的直线越陡，输入电压的线性范围越小。

由于运放的开路电压增益很高，输入电阻很大，输出电阻很小， 所以经常将这三个参数理想化，即增益和输入电阻趋于无穷大，输出电阻趋于0。从而得到运放的理想模型 。

相应的，电压传输特性线性区的斜线也近似为垂线。

因为输出电压为有限值，而增益趋于无穷大，所以在线性工作区，两个输入端电压差趋于0，也就是同相端电压约等于反相端电压，常称为虚短。另一方面，由于输入电阻约等于无穷大，所以两输入端的电流也约等于0，常称为虚断。在将集成运放看成理想运放时，也经常认为它的频带宽度趋于无穷大，但实际集成运放的频带往往是非常有限的，要特别注意，这个指标的理想与现实差异很大。

下面我们讨论，如何用运算放大器放大信号。

像这样，直接将信号vi加在运放的两输入端之间，能放大信号吗？

理论上是可以的，只要vi足够小，保证运放工作在线性区。但实际上这个要求很难满足，换句话说，信号通常会导致运放进入饱和区，无法实现信号的线性放大。但输入正弦波时，输出会明显失真。

实际应用中，线性放大时，都需要引入负反馈。所谓反馈，是将输出电量送回到输入的过程。

负反馈将减小原来加到放大器输入端的信号，容易满足线性区工作的要求。

这时，如果以vi作为横坐标，电压传输特性将明显不同，输入信号的线性范围大大增加。

注意：线性区直线的斜率Av是引入负反馈后的增益，也称闭环增益，而Avo则称为开环增益。

放大电路的几个指标

下面我们来分析，这个引入负反馈后的放大电路的几个指标。首先让我们来看看放大电路的增益，利用"虚短"可以得到vi约等于vN。再由"虚断"可知，反相输入端电流为0。所以，电压vN就等于R1和R2对输出电压的分压。那么电压增益就等于1+R2/R1。

这里需要注意两点：

一是由于信号是从运放的同相输入端输入的，所以输出电压也输入电压的相位是相同的。另一方面，增益表达式的结果是正值，也表明输出电压和输入电压是同相的。所有这个电路称为同相放大电路 。

二是，放大倍数的设计非常简单，只与两个电阻值有关，这也是集成运算放大器能广泛应用的重要原因。这里有个有趣的现象。增益表达式中没有出现运放开环增益Avo的身影。这是因为，我们使用了由理想运放模型导出的虚短和虚断结论，意味着这样得到的增益存在一定的误差。当实际运放参数越接近理想参数时，误差越小。实际上由此产生的误差，在工程上完全可以忽略不计。

接下来看看放大电路的输入电阻，根据输入电阻的定义，放大电路输入端口电压与端口电流之比就等于输入电阻。由虚断可知，端口电流为零，所以输入电阻约等于无穷大。

在输出端口，尽管还有其他并联支路，但是因为理想运放的输出电阻约为0。所以输出电阻约等于0。

运放知识总结

● 集成运算放大器是一种增益很高的放大器，其作为一种基本的三端（信号端子）器件，可以实现多种运算功能，如比例、加法、减法、积分和微分等。

● 集成运算放大器的外接端子主要有反相输入端（ N）、同相输入端（ P）、输出端（ O）和电源供给端子 V＋和 V－。

● 运算放大器有两个工作区，线性区和非线性区。在线性区，其放大同相输入端与反相输入端之间的差值信号(vP－ vN)。运算放大器开环（无负反馈）工作时，很容易进入非线性区，输出电压接近电源电压。

● 理想的运算放大器具有无穷大的开环增益，无穷大的输入电阻和 0 输出电阻，即： Avo→∞， ri→∞, ro=0。

● 通过引入合理的负反馈而使运算放大器稳定工作于线性放大区，此时可以通过"虚短"和"虚断"来分析运放构成的线性电路。

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