模电学习11 运算放大器学习入门

一、基本概念

运算放大器简称运放，是一种模拟电路实现的集成电路，可以对信号进行很高倍数的放大。一般有正相输入端、反相输入端、输出端口、正电源、负电源等接口。
运放可工作在饱和区、放大区，其中放大区极其陡峭，因为运放的放大倍数非常大，可能数万倍以上。 实际运用中会引入负反馈。

1. 一些端口介绍

• 正相输入端 Vp
• 反相输入端 Vn
• Vcc 正电源
• Vee 负电源
• $V_{out}$ 输出端口

2. 虚短的概念

当引入深度负反馈时，在理想情况下，两个输入端的电位相等，就好像两个输入端短接在一起，但事实上并没有短接，所以称为“虚短”。

3. 虚断

在理想情况下，输入断电阻极大，流入运放的电流近仿为零，可以近似看为断路状态。

二、常见电路

1. 比较器

运算放大器比较简单的应用就是比较器。
当正相输入端电压高于反相输入端电压时，输出正电源电压；
当反相输入端电压高于正相输入端电压时，输出负电源电压。
实际情况中输出电压达不到电源最大值，会略低一点。

（1）实验电路

（2）仿真输出波形

上图中很陡峭的那个区域，是运放工作在放大区的区域 。

2. 反相放大器

引入负反馈后，运放可以工作在放大区。

（1）电路原理图

（2）电路分析

• 从虚断特性推导出 $I_p=I_n=0$
• 由$I_p=0$推导出 R2 上没有电压 => $U_p=0$
• 由于负反馈电路，存在虚短特性，=> $U_n=U_p=0$
• 可推导出$\frac{U_i-U_N}{R1}=\frac{U_N-U_o}{R3}$
• 进一步推导出$U_o=-\frac{R3/R1}{U_i}$

即输出和输入是反相放大关系。

（3）仿真结果

3. 反向求和电路

（1）原理图

（2）计算公式

$$U_o=-R_f\ast (\frac{U_{i1}}{R_1}+\frac{U_{i2}}{R_2}+\frac{U_{i3}}{R_3})$$

（3）仿真结果

代入上面公式，可得峰值电压 -3V~+3V，示波器显示如下：

加法器的一个应用场景是混音器，多种音频信号通过加法器连接在一起，经过放大后输出 。

4. 同相比例放大电路

（1）电路

这里 R1=R2=R

（2）公式

$$U_o=(1+\frac{R_f}{R})U_i$$

（3）仿真

更多运放电路以后再慢慢学习，这里先列上面几个作为入门学习。