模電的半壁江山——運算放大器的原理和應用

模電的半壁江山——運算放大器的原理和應用

大家學習電子都會接觸運算放大器，常常聽到虛短虛斷一說。虛短虛斷是解開負反饋運放電路的核心方法，具體就要從運放的原理開始說起了。

拿LM741為例子。可以將內部電路圖分為A,B,C,D四個部分。A是差分輸入級。差分輸入有同相輸入和反相輸入兩個輸入端。主要作用是在放大差模信號型號的同時抑制共模信號，比如抑制溫度造成的零漂等，保證靜態工作點的穩定，然后將放大后的信號送入C，中間放大級，將信號實現進一步的放大。最后通過D，甲乙類推挽輸出輸出信號，保證輸出信號的功率。B部分是電流源偏置，為芯片中的工作電路提供穩定的工作電流。

運放進行封裝

將該電路封裝之后就剩兩個輸入端和輸出端。在原理圖中兩級的放大電路，所以運放的一個特點是放大倍數理想下無限大，實際可以達到10000倍以上；運放引入了鏡像恒流源，使輸入電阻接近于無窮大。所以先抓住運放的兩個特點：輸入電阻極大，放大倍數極大，理想狀態都是無窮大。

然后引出輸出電壓計算。U0=U+-U-,即，輸出電壓=(同相輸入電壓-反相輸入電壓)*放大倍數。所以要是直接將該器件不引人，負反饋，因為放大倍數有10000以上，則只要同相和反相存在一定差值，比如0.001V，那么放大后的輸出的就可以10V以上，一般直接就是電源電壓了。

開環的運放

這樣的開環電路可以作為比較器。將反相輸入作為參考電壓，則將同相最為一個輸入端。如果同相輸入電壓比反相輸入大，則輸出為正，否則就是輸出負電壓。要是在輸出端，接入穩壓管，則可以輸出固定電壓。

引入穩壓二極管

另一個重要的應用就是用在放大。如上所說，要是直接這樣連接，無法放大我們想要放大的倍數。所以在這里引入負反饋。反饋就是將輸出引入輸入，在兩者之間形成關系，負反饋則是建立的聯系效果減弱了原先要改變方向的能力。比如我一開始向前走10步，引入反饋后我依舊往前走，但走了2步，向前走的步數減少了；要是走了20步，這就是正反饋，正反饋在正弦波發生電路應用較大。

負反饋的引入

然后就是虛短，虛斷的引入。在引入負反饋后，輸出穩定在某個值，比如2V，這時候我們反推，此時的同相和反相的電壓差值就是2/10000，這時候兩者的壓差基本可以忽略不計了，即此時的U+=U-。在深度負反饋下同相電壓等于反相電壓，就是虛短。由于輸入電阻無窮大，所以輸入到運放的電流就是U/R,R是無窮大，則輸入電流為0，即I+=I-=0A，就是虛斷。虛短和虛短在搭建放大電路時計算參數十分方便的。如上圖的同相放大器，根據虛短，U-=U+=U；再根據虛斷，沒有電流通過反相輸入端流入運放，則可以列出方程(0-U)/R1=(U-U0)/R2,就可以算出該電路的放大倍數。

同相負反饋電路

再如上圖，根據虛短U+=U-=0,根據虛斷(U-0)/R2=（0-U0）/R3,帶入可以算出U0=-U，即輸出電壓是輸入電壓的負數，我們可以根據這個原理搭建自己需要的電路，實現加減運算，通過電容實現積分或者微分電路，根據二極管或者三極管，實現指數或者對數運算。

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