运放-1-理想运放与虚断虚短的来源.docx

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1、今天开始，聊一聊运放吧，之前很多兄弟们也提了这个要求。正好我最近也想深入看看运放方面的，那么就借这个机会一步一步再搞一搞吧。运放这个器件相对于电阻，电容，三极管，MOS管等器件算是比较复杂的，而且电路中也常用，出问题的情况也多，显然一篇文章根本就说不明白运放，因此，我可能要写很多期。具体多少期，写哪些内容，我一向都是不做计划，随心所欲，兄弟们有需求也可以提，我可以看情况安排。背景介绍完了，那么就开始了。第一步，理想运放首先，第一个问题，我为什么要说理想运放呢？因为一般来说，我们了解一个东西，都是先将它当做理想来看的，这样最为简单，也最容易懂。当我们拿到一个陌生的电路，首先我们肯定是要知道这个电

2、路是干什么用的对不？这个时候我们就先不用考虑电路中器件的非理想特性，比如先不考虑温漂，漏电，寄生电感，寄生电容等等这些。我们就先把它当做理想的，然后看这个电路到底实现了什么功能，运放电路一般也是这么分析的。等我们知道这个电路是干啥用的，然后再看看器件的哪些特性会导致这个电路失效，或者说不按照预期的工作，这个时候就要考虑非理想特性了。所以，我们了解理想运放的目的，就是为了在一开始的时候能快速的分析出电路的工作原理，实现了什么功能。其次，理想运放有哪些特性呢？理想运放主要有以下三点：1、增益无穷大2、输入阻抗无穷大3、输出阻抗为O那么这三点特性又是怎么来的呢？1、增益无穷大增益无穷大好理解，因为一

3、般运放的增益就是很大的，比如Ti的uA741,开环增益是105dB左右，计算一下是多少倍呢？20log(Av)=105dB,计算得AV=IOA5.25=177828,大约是18万倍。相对于我们一般电路中几十倍的放大倍数，这个很大了。uA741ZHCSHESG-NOVMeERWD-REWSEDJANUARYgOiBIoperatingfree-airtemperaturerangesofthevarious2、输入阻抗无穷大理想运放的输入阻抗无穷大，我们看看实际运放的，还是以Ti的uA741为例，如下图:SEtoctncelChrctrtbcs.)A741YywiriaHWfw.Vg0丫LWPO

4、rtwB三wwwMA, LMSMa LMJMBAAVSqV) (V )V T 3V (t HtV . Ta29*C. Vcm Vour Vt2. KfeU ( V2WmJe .MVi可能有人会认为，这阻抗也不是很低啊，咋就能忽略呢？这个其实还是看应用，如果运放后端的电路等效输入阻抗比较高，那么自然就可以忽略的。如果负载的输入阻抗本身也就只有几十或百那么自然就不能完全忽略。以上就是理想运放的三个最大的特点，我们在拿到一个电路后，利用这三个特点，一般就能将运放电路的基本功能给分析出来。但是可能会问这个问题：我们通常明明是利用运放的“虚短”和“虚断”分析电路的，根本就不是上面说的的这三个特点，那这又

5、是咋PI事呢？答案其实也很简单，那就是运放的“虚短”和“虚断”，是根据上面理想运放三个特点推导出来的。虚断和虚短1、虚断“虚断”相对于“虚短”来说，相对简单点。前面说理想运放的输入阻抗无穷大，解读一下就是说，如果给运放的输入端加个电压，那么流入流出运放的输入管脚的电流就是0,阻抗无穷大嘛，自然没有电流，那就相当于是开路，也就是断路。但是呢，这跟完全断路又不一样，因为运放还是会感应输入端的电压的，所以也不是真的断路，因此，称为“虚断”。可以看到，“虚断”跟把运放接成什么样的电路没有关系，只要是个集成运放，都可以运用虚断来分析（严格来说，实际运放输入端还是有电流的，只是相当小。如果外部电阻实在太大

6、，导致电阻电流接近或者超过运放的输入端微小电流，“虚断”还是会失效的）。相对于“虚断”的基本无门槛使用，运放的“虚短”使用是有门槛的。2、虚短先说结论，虚短使用有两个条件a、电路为负反馈电路b、运放工作在线性放大区要理解这两点，我们只需要知道“虚短”是咋来的就好了首先，虚短的意思是什么呢？我们知道，运放有两个输入端，同相端和反相端，“虚短”说的就是同相端和反相端的电压一样，就跟短路一样，那它是如何做到这一点的呢？我们前面说的理想运放的三个特点也没有这个呀？下面就以下图的电路为例子，看看为什么最终是u+=U-的？假设刚开始时，各处电压为0,突然Ul瞬间从0变为2.5V,因为Uo一开始为OV,根据

7、“虚断”，U-没有电流流入放大器，所以Il-为u。在Rl和R2上的分压，依然为0V。当u+瞬间为2.5V后，U-为0V,u+u-,放大器会朝着电压增大的方向进行放大，即Uo电压会开始升高。当uo增大到1V,U-依然为uo的在R1和R2上的分压，即为0.5V。此时u+=2.5V,u-=0.5V,u+u-,放大器将电压继续正向放大，因此Uo继续增大。那问题来了，UO增大到多少会停止呢？很容易想到，只要u+u-,因为我们现在讨论的是理想运放，放大倍数为无穷大，所以u。就会增大(放大器是这样一个装置，它总是将输入电压放大AUo倍，即总满足：Uo=Au*(u+-U-)。只有当UO增加到5V时，U-电压为

8、UO在R1和R2的分压正好是2.5V,U-等于u+,此时放大器达到平衡，不再放大，即稳定态就是现在了。那为什么稳定态一定是U-=U+,U-u+不行吗？我们也可以假设下，万一UO一不小心超过了5V,那么U-就会大于2.5V,U-会大于u+,此时放大器会将输出电压反方向放大，也就是减小，最终电压还是会向5V逼近。因此，不论电路初始状态电压是怎么样的，最终输出都会稳定在5V,而且u+=U-,因为一旦u+不等于U-,那么在无穷大的放大倍数下，输出必然会变化，最终还是会导致U+=U-o前面这些有点绕，我们仔细想一下，逻辑是不是这样：当U+不等于U-时，输出就会变化，这个变化又会送回到输入端，图中为U-,

9、进而导致U+与U-的差值变小，差值变小，意味着输入信号变小了（运放的输入是U+-U-,也就是差值）。也就是说，输出信号将自己通过电阻R2和RI又送到输入端，降低了输入信号，这不就是负反馈吗？总之，对于上面这个负反馈电路，最终的结果就是：u+=U-0如果我们将运放的同相端和反相端颠倒会发生什么呢？同样的，当输入突变成2.5V,因为Uo初始还是OV,那么u+也是OV,此时有u+VU-,因此，输出要减小，变成负的。当输出减小时，根据分压关系，u+也要减小，也是负的，也就说u+比U-小得更多了，即u+与U-的差值更大了。差值更大，意味着输入信号变大了（运放的输入是U+-Ur也就是差值）。也就是说，输出

10、信号将自己通过电阻R2和RI又送到输入端，加强了输入信号，这不就是正反馈吗？很容易想到，最终的稳态就是u。能输出多低就是多低，如果是单电源供电，那么Uo=OV,此时u+=0V,而u-=2.5V,显然，u+不等于U-,也就是说不满足“虚短”由上面可知，“虚短”必须是负反馈，但是还需要个条件。就是放大器需要工作在线性放大区，为什么这么说呢？以前面的负反馈为例子，当输入2.5V时，输出就是5V了，但是假如供电只有3.3V呢？如果放大器供电是3.3V,输出是多少?显然，输出超不过5V,此时放大器工作在饱和区，顶天了放大器也只能放大至J3.3V,因此输出最终达不到5V,那么U-自然也到不了2.5V了，此

11、时u+也就不等于U-了，也就不满足虚短了。所以说，满足虚短还需要放大器工作在线性放大区。问题这里我们可以再深入下，前面我们把运放当作理想运放，也就是增益无穷大，最终得到U+=U-,也就是虚短。如果增益不是无穷大，而是一个有限的值，那么U+和U-的关系是怎么样的呢？首先，我们先思考下，运放到底是个什么东西？其实运放可以看成一个这样的东西，它总能将u+和U-的差值放大AUo倍。想想，是不是这么个玩意儿，其实它自己也不知道外面到底接了什么电路，反正就将u+与U-的差值，放大AUO倍，然后送到输出uo。因此，天然就有了这么个公式：uo=(u+-u-)*Auo变换一下，得：u+-U-=uoAuoUO是一

12、个有限的值，如果3.3V供电，Uo不会超过3.3,就假定uo=3.3V吧，假如AUo是一百万倍，Auo=100OOOO,那么：u+-U-=3.3V1OOOOOO=3.3uV可以看到，u+与U-的电压差值只有3.3uV,这是相当小的，我们在分析电路电压的时候，自然可以忽略这个压差，把它们看成是相等的了，也就是“虚短”。同时，我们也可以看到，运放的开环增益Auo越大，那么u+和U-的越接近，更能看成是“虚短”。小结以上就是本节的全部内容了，大致梳理了下理想运放的特点，以及虚断和虚短的意思，来源，以及使用的条件。理想运放特点：1、增益无穷大2、输入阻抗无穷大3、输出阻抗为0虚断使用条件：基本无门槛（来源于运放的输入阻抗非常大）虚短使用的条件：1、负反馈2、工作在线性放大区