运放这个词既熟悉又陌生,既简单有不简单,说它熟悉,是因为它的应用非常广泛,经常听说它,说它陌生,是因为运放内部的 电路 结构非常复杂,很难搞清楚。说它简单,因为在设计运放电路时,可以避免 晶体管 电路的复杂参数计算,说它不简单,因为很多时候运放并不理想,若按理想运放来设计电路,会导致结果错误。
1、什么是运放
运放是 运算放大器 的简称。可以实现各种模拟电量的数学运算。但它不是用来做计算器上的加减乘除运算,而是在模拟信号处理过程中,可能需要将信号进行放大、加减乘除、积分、微分等操作。
①、运放的电路符号是:
pi n 2、3为信号输入、pin 4、7为电源输入、pin 6为信号输出。
②、输入输出关系:Uo = A * (Up-Un),A为运放的放大倍数,这个数值非常非常大,近似为无穷大,Up与Un几乎相等。Uo,Up,Un为正常的数值。这个表达式初看太奇怪了,但是它确实那么的有用,大大简化了电路的设计,后面会慢慢解释。
③、最重要的性质:“虚短”和“虚断”
虚短:因为上面表达式中Up与Un几乎相等,所以pin 2、3近似 短路 ,但不是真的短路,所以叫虚短。虚断:pin 2、3的输入 阻抗 非常大,至少在1Mohm。所以可以认为Pin2、3上的输入 电流 为零,所以叫虚断。
2、反相比例运放电路
只要记住Uo = A * (Up-Un)和“虚短”、“虚断”,理想运放的电路都能看懂。这里先不要纠结为什么会是这样,有机会后面会介绍。这里先介绍一个最简单的运放电路:反相比例放大电路。
反相比例运放电路原理图
①、根据虚断原理,运放输入端的两个管脚输入电流为零,所以不管R4阻值是多少,都有Up=0;②、根据虚短原理,Un=Up,所以Un也等于零。③、根据基尔霍夫定理就可以求出:Uo=- Rf /R1 * Ui
反相比例运放仿真结果
④、理论上,R2和RL的阻值不会影响放大倍数,但是实际的运放需要设计R2=R1 || Rf,因为这样一来,运放的同相端和反相端往外看的阻抗才一样大。⑤、从仿真结果可以看出反向比例 放大器 的输出与输入波形ui是精确的5倍的关系。
3、总结
理想运放如此简单,我们根本不需要了解运放里面的东西,不需要像 三极管 那样考虑它到底工作在哪个区,不需要考虑密勒效应,输入输出阻抗等等,只需要用 电阻 分压的方法就能得到想要的精确的放大倍数。用起来简单,性能又好,这是运放广泛应用的重要原因。