运算放大器电路设计分析

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。

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。

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u_d=u^＋－u^－，可得输出u_o和输入u_d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。在范围内，u_o和u_d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；当时，输出电压u_o趋于饱和，图中用表示，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。

图3 运放外特性

注意：

ε是一个数值很小的电压，例如U_sat=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，R_i为运放输入电阻，R_o为输出电阻。当u^＋=0时，则u_o=－Au^－；当u^－=0时，则u_o=Au^＋。

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：

①，u_o为有限值，则u_d=0，即u^＋=u^－，两个输入端之间相当于短路（虚短）；

②，i^＋=0，i^－=0，即从输入端看进去，元件相当于开路（虚断）；

③