理想集成运放

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为便于分析,通常将集成运放看成理想集成运放。所谓的理想集成运放就是将实际的集成运放性能指标理想化,以便于电路的分析和计算。由于实际集成运放的性能指标与理想运放比较接近,所以用理想运放代替实际运放所引起的误差并不大,在工程计算中是允许的,而且可以使运放应用电路的分析简化。具体地说,这些理想化的性能指标为:

开环差模电压放大倍数Aod≈∞;差模输入电阻rid≈∞;输出电阻ro≈0;共模抑制比KCMR≈∞等。

1、理想集成运放在线性区的特点

设集成运放同相输入端和反相输入端的电位分别为up和un,电流分别为ip和in。当集成运放工作在线性区时,输出电压与输入差模电压呈线性关系,即应满足

理想集成运放 (1)

由于uo为有限值,对于理想集成运放Aod≈∞,因而净输入电压up-un=0,即up=un

这个结论称两个输入“虚短路”。所谓“虚短路”是指集成运放的两个输入端电位无穷接近,但又不是真正短路的特点。

因为净输入电压为零,又因为理想集成运放的输入电阻为无穷大,所以两个输入端的输入电流也均为零,即ip=in=0。

换句话说,即从集成运放输入端看进去相当于断路,称两个输入端“虚断路”。所谓“虚断路”是指集成运放两个输入端的电流趋于零,但又不是真正断路的特点。

应当特别指出,“虚短”和“虚断”是非常重要的概念。对于集成运放工作在线性区的应用电路,“虚短”和“虚断”是分析其输入信号和输出信号关系的两个基本出发点。

2、集成运放工作在线性区的电路特征

对于理想集成运放,由于Aod≈∞,因而若两个输入端之间加无穷小电压,则输出电压就将超出其线性范围,不是正向最大电压+UOM,就是负向最大电压-UOM;因此,只有电路引入负反馈,才能保证集成运放工作在线性区,集成运放工作在线性区的特征是电路引入了负反馈。

对于单个集成运放,通过无源的反馈网络将集成运放的输出端和反相输入端连接起来,就表明电路引入了负反馈,如图1所示。因此,可以通过电路是否引入了负反馈,来判断电路是否工作在线性区。

理想集成运放
图1 集成运放引入负反馈

3、理想集成运放的非线性工作区

在电路中,若集成运放处于开环状态(既没有引入负反馈),或只是引入了正反馈,则表明集成运放工作在非线性区。

对于理想集成运放,由于差模增益无穷大,只要同相输入端与反相输入端之间有无穷小的差值电压,输出就将达到正的最大值或负的最大值,即输出电压与输入电压不再是线性关系,称集成运放工作在非线性工作区,其电压传输特性如图2所示。

理想集成运放
图2 理想集成运放工作在非线性区的电压传输特性

理想集成运放工作在非线性工作区的两个特点如下:

①输出电压uo只有两种可能的情况,分别为+UOM或-UOM。当up>un时,uo=+UOM;当up<un时,uo=-UOM

②由于理想集成运放的差模输入电阻无穷大,故净输入电流为零,即ip=in=0。

可见,理想集成运放工作在非线性区时仍具有“虚断”的特点,但其净输入电压不再为零,而取决与电路的输入信号。对于集成运放工作在非线性区的应用电路,上述两个特点是分析其输入信号和输出信号的基本出发点。

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