运算放大器电路设计分析

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1、简介

运算放大器(简称运放)是一种包含许多晶体管的集成电路,它是目前获得广泛应用的一种多端器件。一般放大器的作用是把输入电压放大一定倍数后再输送出去,其输出电压与输入电压的比值称为电压放大倍数或电压增益。运放是一种高增益、高输入电阻、低输出电阻的放大器。由于它能完成加法、积分、微分等数学运算而被称为运算放大器,然而它的应用远远超出上述范围。下图所示为运放实物图,(a)图为焊接在电路板上的运放,(b)图为商用化的运放。

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图1 运放实物图

虽然运放有许多型号,其内部结构也各不相同,但从电路分析的角度出发,感兴趣的仅仅是运放的外部特性及其电路模型。图2(a)给出了运放的电路图形符号,其中,“△”表示“放大器”。运放有两个输入端a(2管脚)、b(3管脚)和一个输出端O(6管脚)。电源端子(4、7管脚)连接正负直流偏置电压,以维持运放内部晶体管正常工作。在分析运放的放大作用时可以不考虑偏置电源,采用如图5.1(b)所示的电路符号,输入端a和b分别表示运放的反相输入端(输入电压u)和同相输入端(输入电压u+)。A表示开环电压放大倍数,可达十几万倍。

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图2 运放电路符号

注意:

图中参考方向表示每一点对地的电压,在接地端未画出时尤须注意。

2、运放外特性

在图2(b)所示的运放输入端a、b间加一电压ud=uu,可得输出uo和输入ud之间的转移特性曲线如图3(a)所示,可用三段折线近似地表示,如图3(b)所示。在运算放大器电路设计分析范围内,uoud之间的关系用通过原点的一段直线描述,其斜率等于放大倍数A,由于A很大,所以这段直线很陡,该区域称为线性工作区;当运算放大器电路设计分析时,输出电压uo趋于饱和,图中用运算放大器电路设计分析表示,该饱和电压值略低于直流偏置电压值,划分的两个区域分别称为正向饱和区和负向饱和区。这个关系曲线称为运放的外特性。

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图3 运放外特性

注意:

ε是一个数值很小的电压,例如Usat=13V,A=105,则ε=0.13mV。

3、电路模型

运放电路模型用如图4所示的电压控制电压源电路表示,其中受控源输出的控制电压为运算放大器电路设计分析Ri为运放输入电阻,Ro为输出电阻。当u=0时,则uo=-Au;当u=0时,则uo=Au

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图4 运放的电路模型

4、理想运放

当运放工作在线性放大区,将运放电路作如下理想化处理:

运算放大器电路设计分析uo为有限值,则ud=0,即u=u,两个输入端之间相当于短路(虚短);

运算放大器电路设计分析i=0,i=0,即从输入端看进去,元件相当于开路(虚断);

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