4.1.1 反相比例运算电路

好，运放应用基础 从节课开始我们要介绍第四章 运放的全称是运算放大器 也就是它可以实现各种模拟电量的数学运算 这种数学运算并不是用来做计算器的 而是在模拟信号调理过程中 我们可能要用到的一些运算 运放的使用既简单又不简单 说它简单是因为设计运放电路时 它不像晶体管电路计算起来那么复杂 说它不简单是因为很多时候运放并不理想 总是按理想运放去设计电路时会导致很多错误 本章将基于仿真软件，从以下四个方面进行讲解 包含基本运算放大电路的原理 实际运算放大器的性能 特殊运算放大器的功能 已经有源滤波器的拓扑差别 首先我们介绍一下黄金规则，虚短和虚断 从理想运放的观点分析运放 需要用到这么两个黄金规则，虚短虚断 图示的理想运放电路 如果输出电压没有饱和的话 将满足这样一个线性函数 uO 等于 A 倍的 uP 减 uN 这里 uO 代表输出电压 uP 代表同向输入端, positive uN 代表反相输入端, negative 而这里的 A 是运放的放大倍数 这一数值至少在万倍以上 多的呢得有100万倍 而输出电压 uO 呢最多只有十数伏 我们代一个数值看一下 如果 uO 是10V A 呢一万倍 我们会算出来 uP 减 uN 呢只有1mV 说明同相输入端有 uP 和反相输入端 uN 的差值极小 可以认为是等电位了这就是虚短路的由来 在晶体管放大电路知识的学习中呢 我们分析运放电路的实际构造 运放的输入阻抗较大至少在一兆欧 在一定程度上可以认为运放输入电流为零 这就是虚断路的由来 虚断虚短一定要分清楚 我们看基本运算放大电路一 反相比例运算电路 它位于教材的4.1.1节 在分析运算放大电路时 只要按照虚短虚断这么个黄金规则 就可以计算它是怎么工作的 如图所示反相比例运算电路的原理图 先使用理想运放我们仿真看看 首先呢从器件当中选定半导体基本器件当中的运放 进行仿真 由于虚断原理 电阻 R2 上是没有电流的 所以 uP 电压与地同为0V 由于虚短原理 uN 电压与 uP 电压相等也为 0V 把虚断和虚短都用上 好，根据基尔霍夫电流定律 我们可以得出方程 那建议大家呢自己也列下方程，非常简单 第一呢，RF 上的电流 实际上呢等于 ( uO - uN ) / RF 这个电流实际上呢与 R1 上的电流是相等的 R1 上电流等于 ( uN – uI ) / R1 好, 化简一下 我们将得到 uO = -RF/R1 * uI 那么这就是一个反相比例放大 理想状况下输入电阻 R2 和负载电阻 RL的取值 对放大倍数没有影响 我们把实际参数代到公式当中 uO = -RF/R1 * uI 那么就等于-5倍的 uI 与负载 RL 以及同相端的电阻 R2 没有关系 但是实际上呢电阻 R2 的取值呢 最好还是取 R1 与 RF的并联 这样一来从运放的同相端和反相端 往外看的阻抗是对称的 所以我们取值的时候 R2 最好等于 R1 并RF， 830欧 目的是让同相端和反相端往外看的阻抗是对称的 反相比例运算的 TINA 仿真 同示为反相比例运算电路的瞬时现象仿真图 输出电压的波形 VM1 红颜色的与输入电压 VG1 确实为精确的五倍的反相放大关系 晶体管放大电路与运放放大的对比 三极管共射放大电路同样可以实现-5倍放大 但是却远不如运放精确和使用简单 三极管放大电路的放大倍数与负载有很大关系 负载会降低放大倍数 使用三极管需要复杂的外围偏置电路 参数计算也是非常复杂的 那么是不是只有理想运放才有如此精确的放大性能呢 好，我们在仿真当中可以选取实际的运放进行仿真 在制造商模型当中呢我们可以找到运放 选择呢 UA741 进行仿真 利用实际运放进行仿真时注意需要引入电源 一般普通运放为正负电源供电 这个供电电压一定要足够大 其余部分与理想运放是完全一致的 UA741 的反相比例运放的仿真图 那么同样的也是实现了精确的-5倍放大 这说明实际电路用虚短和虚断这样的原则近似也是可以 反相比例运算电路的优缺点 对于运放来说输入端的电压近似为零 所以呢它是没有共模输入信号的，这是优点 共模输入信号等于 uN 加 uP 除以2等于0 那对于反相比例运算电路来说 共模输入信号等于0，这是优点 对信号源 VG1 来说 所接负载的阻抗不是无穷而 R1 对于信号 VG1 来说 我们的反相比例放大电路的 输入电阻就是 R1 ，这是缺点 这个值呢太小 本课小结，虚短的概念 如果运放输出不饱和 那么它的输入输出将满足这样一个线性关系 A 为运放的放大倍数，非常大 而输出电压最多只有十数伏 所以我们可以算得 uP 是近似等于 uN 的 所以呢这是虚短概念的由来 而虚断的概念呢是由于运放的输入阻抗比较大 在一定程度上可以认为运放输入电流为零 那么这就叫做虚断路 反相比例放大电路的原理 那么通过虚短和虚断 我们得到表达式计算之后呢 输入输出电压就呈现了这样一个反相比例的关系 好，这节课就到这里