帶你理解運(yùn)算放大器
2023/5/11 14:35:44??????點(diǎn)擊：
前言
最近在某個(gè)傳感器產(chǎn)品上面用到了運(yùn)算放大器，然后在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候遇到一些細(xì)節(jié)，還去翻閱筆記，查找了相關(guān)的資料。
運(yùn)放作為電子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)元器件之一，之前還不曾來(lái)好好說(shuō)明介紹一下，正好借此機(jī)會(huì)，我們從應(yīng)用的角度來(lái)聊一聊運(yùn)算放大器。
一、運(yùn)放基本說(shuō)明
說(shuō)到運(yùn)放，在相關(guān)專業(yè)大學(xué)課本模擬電子技術(shù)一書中可是花費(fèi)了很多章節(jié)來(lái)講述，但是實(shí)際上我回頭看了一遍課本…… 不太看得下去……
因?yàn)樵谥v運(yùn)放的開(kāi)始模電書上就給你一張運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖，類似下圖（書上的圖我沒(méi)特意去找）：
然后就開(kāi)始各種理論分析了……
我們本文從應(yīng)用的角度，為了讓大家能夠 快速的分析基本運(yùn)放電路 的角度出發(fā)，來(lái)說(shuō)明一下運(yùn)算放大器的基本知識(shí)。
1.1 基本認(rèn)識(shí)
先來(lái)點(diǎn)基本知識(shí)，這些應(yīng)該都是書本上、網(wǎng)絡(luò)上的一些基本概要，走個(gè)過(guò)場(chǎng) 。
基本的運(yùn)算放大器如圖所示：
對(duì)運(yùn)算放大器做一些基礎(chǔ)的說(shuō)明（我都忘了以前從哪里抄下來(lái)的記在筆記本上的，先走個(gè)過(guò)場(chǎng)，）：
1、引腳端口：
有兩個(gè)輸入端口：同相（+）輸入端 和 反向（-）輸入端，一個(gè)輸出端口，然后 2個(gè) 供電引腳。
2、信號(hào)輸入：
當(dāng)輸入信號(hào)從 “-” 端口輸入放大器時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相;
當(dāng)輸入信號(hào)從 “+” 端口輸入放大器時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相;
當(dāng)兩個(gè)輸入端口同時(shí)輸入信號(hào)時(shí)，運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減數(shù)運(yùn)算，輸出信號(hào)與較大的一方同相。
3、理想運(yùn)放：
一個(gè)理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性（這些東西是理論東西，就算不懂這些名詞，也不影響后面我們會(huì)使用運(yùn)放）：
無(wú)限大的 輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無(wú)限大的開(kāi)環(huán)回路增益、無(wú)限大的共模排斥比的部分、無(wú)限大的頻寬。
特別說(shuō)明，本文的討論是基于 “理想的運(yùn)算放大器”，并且是通用的運(yùn)算放大器，特殊用途的不在此討論范圍。
下面開(kāi)始的這些點(diǎn)，就是理解運(yùn)放工作的要點(diǎn)了 ！??！
運(yùn)放的輸入端是沒(méi)有電流流入或者流出的！?。?！ 但是輸出端是可以經(jīng)過(guò)電流的?。?！
知道這一點(diǎn)是進(jìn)行后面分析的基礎(chǔ)，要說(shuō)為什么運(yùn)放輸出端是沒(méi)有電流的，因?yàn)樗兄鵁o(wú)限大 的輸入阻抗。
輸出端的電流流向如下圖所示（電流通過(guò)正電源流向輸出，或者通過(guò)輸出流向負(fù)電源）：
輸出端的這些電流是由運(yùn)放的供電端提供的，其實(shí)這里也可以稍微理解一下，為什么運(yùn)放的輸出最大值不可能超過(guò)供電電源，輸出的最小值不可能低于負(fù)電源（ 電流是從電壓高的地方流向電壓低的地方 ）。
1.3 運(yùn)放工作特性
運(yùn)放 Vout 的公式：
Vout = 開(kāi)環(huán)增益* ( Vin+ - Vin-)
. 開(kāi)環(huán)增益你可以理解為運(yùn)放本身的“放大倍數(shù)”，他是一個(gè)很大很大的值，理想運(yùn)放這個(gè)值都是 無(wú)限大。. 所以公式最后基本就是 Vout = 無(wú)限大 * 同向輸入端與反向輸入端的差值。
通過(guò)這個(gè)東西可以告訴我們一個(gè)運(yùn)放的特性（要記住）：
假如運(yùn)放的 正輸入端的電壓 高于 負(fù)輸入端的電壓 ，即便只高一點(diǎn)點(diǎn)，由于開(kāi)環(huán)增益 無(wú)限大，所以他還是會(huì)產(chǎn)生他能夠輸出的最大正電壓 。
相反的，假如運(yùn)放的 正輸入端的電壓 低于 負(fù)輸入端的電壓 ，所以他還是會(huì)產(chǎn)生他能夠輸出的最大負(fù)電壓 。
對(duì)于 負(fù)電源接 0V 的場(chǎng)合，那么他能產(chǎn)生的最大負(fù)電壓也只能是 0 V。
運(yùn)放作為比較器的應(yīng)用就是用到了運(yùn)放的這種工作特性，我曾經(jīng)寫過(guò)使用運(yùn)放 作 比較器的文章：
缺少比較器，運(yùn)放來(lái)救場(chǎng)?。ㄟ\(yùn)放當(dāng)做比較器電路記錄）
二、負(fù)反饋
在運(yùn)放電路中，我們經(jīng)常聽(tīng)到負(fù)反饋，什么是負(fù)反饋？為什么要引入負(fù)反饋？
2.1 什么是負(fù)反饋？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，負(fù)反饋就是把輸出端的電壓，引入到 負(fù)輸入端的操作，如下圖：
上面 Vout 電壓通過(guò) R1 電阻引入到 Vin- 端，形成了一個(gè)負(fù)反饋電路。
2.2 為什么要引入負(fù)反饋？負(fù)反饋電路分析
在上面我們介紹運(yùn)放工作特性的時(shí)候知道，如果沒(méi)有反饋，那么運(yùn)放好像只能用作比較器。這種輸入與輸出并不存在正常的數(shù)學(xué)運(yùn)算的工作方式可能并不是我們想要的。
所以，我們想輸出一個(gè)穩(wěn)定的可以計(jì)算的電壓，就需要引入負(fù)反饋，下面是一個(gè)最簡(jiǎn)單的負(fù)反饋電路分析：
下面的分析還是基于上面的 1.3 小節(jié) 運(yùn)放的工作特性，那個(gè)運(yùn)放的工作特性是需要記住的重點(diǎn)！
只要記住了運(yùn)放的工作特性，那么所有的反饋都可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。
我們舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：
上圖中已經(jīng)給出了大部分分析， 分析的前提是基于 運(yùn)放的輸入端沒(méi)有電流流入，和 運(yùn)放的工作特性，正輸入端 與負(fù)輸入端在在穩(wěn)定下來(lái)的電路中會(huì)基本相等。
上圖中繼續(xù)計(jì)算：
( 0 - Vout) / R1 = Vin- /R2 Vout = - (R1/ R2) * Vin-
這里我們只是舉了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子應(yīng)用本文的理論知識(shí)進(jìn)行說(shuō)明計(jì)算，后續(xù)我應(yīng)該會(huì)單獨(dú)寫一篇博文來(lái)記錄一下常用的運(yùn)放電路分析。
2.3 正反饋
然后有的朋友還會(huì)有疑問(wèn)，既然有負(fù)反饋，那么是不是也有正反饋？
正反饋肯定是有的，但是本文并不打算分析正反饋，我簡(jiǎn)單的用幾句話說(shuō)明一下：
負(fù)反饋降低了電路的放大能力，但能夠改善電路的放大性能，減小了波動(dòng)，電路穩(wěn)定性更好。
正反饋提高了電路的放大能力（可以自己根據(jù)運(yùn)放特性想象一下）， 在正反饋中，輸入和輸出信號(hào)的相位相似，因此兩個(gè)信號(hào)相加，適用于振蕩電路中。
三、提一下虛短與虛斷
對(duì)于學(xué)習(xí)運(yùn)放的朋友，看很多文章或者視頻，都會(huì)遇到 虛短與虛斷這兩個(gè)概念，很多的教學(xué)分析都是基于這兩個(gè)概念的，其實(shí)只要了解 運(yùn)放的特性，是否對(duì)于這兩個(gè)概念自然就懂了。
虛短：
其實(shí)就是在分析反饋電路的時(shí)候，根據(jù)運(yùn)放的特性我們可以知道，電路最后的穩(wěn)定狀態(tài)，肯定是 Vin+ 基本等于 Vin- 的。
這種 Vin+ = Vin- ，在分析的時(shí)候就當(dāng)成短路了一樣來(lái)分析，但又不是真正的短路，所以叫做虛短。
實(shí)際上記住運(yùn)放的特性就明白了。
虛斷：
虛斷，其實(shí)也就指的是運(yùn)放的輸入端沒(méi)有電流流入和流出。
就類似于電路斷開(kāi)了就沒(méi)有電流了，所以分析的時(shí)候把兩個(gè)輸入端想象成斷開(kāi)的，稱為虛斷。
其實(shí)只要知道運(yùn)放的輸入阻抗非常非常高，這點(diǎn)也能很好的明白。
新手是否需要去記這個(gè) 虛短與虛斷 看個(gè)人把，但是通過(guò)本文的分析，你應(yīng)該什么都能夠理解了。
結(jié)語(yǔ)
本文使用了幾個(gè)簡(jiǎn)單的幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)，說(shuō)明了一下如何去理解分析運(yùn)放。
1、 運(yùn)放的輸入端是沒(méi)有電流流入或者流出的。
2、 假如運(yùn)放的 正輸入端的電壓 低于 負(fù)輸入端的電壓 ，他會(huì)產(chǎn)生他能夠輸出的最大負(fù)電壓 ；假如運(yùn)放的 正輸入端的電壓 高于 負(fù)輸入端的電壓 ，他會(huì)產(chǎn)生他能夠輸出的最大正電壓 ；
如果能夠理解記住本文的內(nèi)容，那么大家在以后遇到運(yùn)放電路分析的時(shí)候是大大的有幫助的，有些東西沒(méi)必要死記硬背，了解運(yùn)放的特性和工作原理，可以讓你在面對(duì)不同的運(yùn)放電路時(shí)，都能夠得心應(yīng)手。
當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中我們常用的運(yùn)放電路也就那么一些，有時(shí)間會(huì)單獨(dú)出一篇應(yīng)用本文的知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容進(jìn)行分析。
最近在某個(gè)傳感器產(chǎn)品上面用到了運(yùn)算放大器，然后在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候遇到一些細(xì)節(jié)，還去翻閱筆記，查找了相關(guān)的資料。
運(yùn)放作為電子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)元器件之一，之前還不曾來(lái)好好說(shuō)明介紹一下，正好借此機(jī)會(huì)，我們從應(yīng)用的角度來(lái)聊一聊運(yùn)算放大器。
一、運(yùn)放基本說(shuō)明
說(shuō)到運(yùn)放，在相關(guān)專業(yè)大學(xué)課本模擬電子技術(shù)一書中可是花費(fèi)了很多章節(jié)來(lái)講述，但是實(shí)際上我回頭看了一遍課本…… 不太看得下去……
因?yàn)樵谥v運(yùn)放的開(kāi)始模電書上就給你一張運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖，類似下圖（書上的圖我沒(méi)特意去找）：
然后就開(kāi)始各種理論分析了……
我們本文從應(yīng)用的角度，為了讓大家能夠 快速的分析基本運(yùn)放電路 的角度出發(fā)，來(lái)說(shuō)明一下運(yùn)算放大器的基本知識(shí)。
1.1 基本認(rèn)識(shí)
先來(lái)點(diǎn)基本知識(shí)，這些應(yīng)該都是書本上、網(wǎng)絡(luò)上的一些基本概要，走個(gè)過(guò)場(chǎng) 。
基本的運(yùn)算放大器如圖所示：
對(duì)運(yùn)算放大器做一些基礎(chǔ)的說(shuō)明（我都忘了以前從哪里抄下來(lái)的記在筆記本上的，先走個(gè)過(guò)場(chǎng)，）：
1、引腳端口：
有兩個(gè)輸入端口：同相（+）輸入端 和 反向（-）輸入端，一個(gè)輸出端口，然后 2個(gè) 供電引腳。
2、信號(hào)輸入：
當(dāng)輸入信號(hào)從 “-” 端口輸入放大器時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相;
當(dāng)輸入信號(hào)從 “+” 端口輸入放大器時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相;
當(dāng)兩個(gè)輸入端口同時(shí)輸入信號(hào)時(shí)，運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減數(shù)運(yùn)算，輸出信號(hào)與較大的一方同相。
3、理想運(yùn)放：
一個(gè)理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性（這些東西是理論東西，就算不懂這些名詞，也不影響后面我們會(huì)使用運(yùn)放）：
無(wú)限大的 輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無(wú)限大的開(kāi)環(huán)回路增益、無(wú)限大的共模排斥比的部分、無(wú)限大的頻寬。
特別說(shuō)明，本文的討論是基于 “理想的運(yùn)算放大器”，并且是通用的運(yùn)算放大器，特殊用途的不在此討論范圍。
下面開(kāi)始的這些點(diǎn)，就是理解運(yùn)放工作的要點(diǎn)了 ！??！
1.2 運(yùn)放中的電流
先來(lái)說(shuō)說(shuō)運(yùn)放工作時(shí)候的電流：運(yùn)放的輸入端是沒(méi)有電流流入或者流出的！?。?！ 但是輸出端是可以經(jīng)過(guò)電流的?。?！
知道這一點(diǎn)是進(jìn)行后面分析的基礎(chǔ)，要說(shuō)為什么運(yùn)放輸出端是沒(méi)有電流的，因?yàn)樗兄鵁o(wú)限大 的輸入阻抗。
輸出端的電流流向如下圖所示（電流通過(guò)正電源流向輸出，或者通過(guò)輸出流向負(fù)電源）：
輸出端的這些電流是由運(yùn)放的供電端提供的，其實(shí)這里也可以稍微理解一下，為什么運(yùn)放的輸出最大值不可能超過(guò)供電電源，輸出的最小值不可能低于負(fù)電源（ 電流是從電壓高的地方流向電壓低的地方 ）。
1.3 運(yùn)放工作特性
運(yùn)放 Vout 的公式：
Vout = 開(kāi)環(huán)增益* ( Vin+ - Vin-)
. 開(kāi)環(huán)增益你可以理解為運(yùn)放本身的“放大倍數(shù)”，他是一個(gè)很大很大的值，理想運(yùn)放這個(gè)值都是 無(wú)限大。. 所以公式最后基本就是 Vout = 無(wú)限大 * 同向輸入端與反向輸入端的差值。
通過(guò)這個(gè)東西可以告訴我們一個(gè)運(yùn)放的特性（要記住）：
假如運(yùn)放的 正輸入端的電壓 高于 負(fù)輸入端的電壓 ，即便只高一點(diǎn)點(diǎn)，由于開(kāi)環(huán)增益 無(wú)限大，所以他還是會(huì)產(chǎn)生他能夠輸出的最大正電壓 。
相反的，假如運(yùn)放的 正輸入端的電壓 低于 負(fù)輸入端的電壓 ，所以他還是會(huì)產(chǎn)生他能夠輸出的最大負(fù)電壓 。
對(duì)于 負(fù)電源接 0V 的場(chǎng)合，那么他能產(chǎn)生的最大負(fù)電壓也只能是 0 V。
運(yùn)放作為比較器的應(yīng)用就是用到了運(yùn)放的這種工作特性，我曾經(jīng)寫過(guò)使用運(yùn)放 作 比較器的文章：
缺少比較器，運(yùn)放來(lái)救場(chǎng)?。ㄟ\(yùn)放當(dāng)做比較器電路記錄）
二、負(fù)反饋
在運(yùn)放電路中，我們經(jīng)常聽(tīng)到負(fù)反饋，什么是負(fù)反饋？為什么要引入負(fù)反饋？
2.1 什么是負(fù)反饋？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，負(fù)反饋就是把輸出端的電壓，引入到 負(fù)輸入端的操作，如下圖：
上面 Vout 電壓通過(guò) R1 電阻引入到 Vin- 端，形成了一個(gè)負(fù)反饋電路。
2.2 為什么要引入負(fù)反饋？負(fù)反饋電路分析
在上面我們介紹運(yùn)放工作特性的時(shí)候知道，如果沒(méi)有反饋，那么運(yùn)放好像只能用作比較器。這種輸入與輸出并不存在正常的數(shù)學(xué)運(yùn)算的工作方式可能并不是我們想要的。
所以，我們想輸出一個(gè)穩(wěn)定的可以計(jì)算的電壓，就需要引入負(fù)反饋，下面是一個(gè)最簡(jiǎn)單的負(fù)反饋電路分析：
下面的分析還是基于上面的 1.3 小節(jié) 運(yùn)放的工作特性，那個(gè)運(yùn)放的工作特性是需要記住的重點(diǎn)！
只要記住了運(yùn)放的工作特性，那么所有的反饋都可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。
我們舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：
上圖中已經(jīng)給出了大部分分析， 分析的前提是基于 運(yùn)放的輸入端沒(méi)有電流流入，和 運(yùn)放的工作特性，正輸入端 與負(fù)輸入端在在穩(wěn)定下來(lái)的電路中會(huì)基本相等。
上圖中繼續(xù)計(jì)算：
( 0 - Vout) / R1 = Vin- /R2 Vout = - (R1/ R2) * Vin-
這里我們只是舉了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子應(yīng)用本文的理論知識(shí)進(jìn)行說(shuō)明計(jì)算，后續(xù)我應(yīng)該會(huì)單獨(dú)寫一篇博文來(lái)記錄一下常用的運(yùn)放電路分析。
2.3 正反饋
然后有的朋友還會(huì)有疑問(wèn)，既然有負(fù)反饋，那么是不是也有正反饋？
正反饋肯定是有的，但是本文并不打算分析正反饋，我簡(jiǎn)單的用幾句話說(shuō)明一下：
負(fù)反饋降低了電路的放大能力，但能夠改善電路的放大性能，減小了波動(dòng)，電路穩(wěn)定性更好。
正反饋提高了電路的放大能力（可以自己根據(jù)運(yùn)放特性想象一下）， 在正反饋中，輸入和輸出信號(hào)的相位相似，因此兩個(gè)信號(hào)相加，適用于振蕩電路中。
三、提一下虛短與虛斷
對(duì)于學(xué)習(xí)運(yùn)放的朋友，看很多文章或者視頻，都會(huì)遇到 虛短與虛斷這兩個(gè)概念，很多的教學(xué)分析都是基于這兩個(gè)概念的，其實(shí)只要了解 運(yùn)放的特性，是否對(duì)于這兩個(gè)概念自然就懂了。
虛短：
其實(shí)就是在分析反饋電路的時(shí)候，根據(jù)運(yùn)放的特性我們可以知道，電路最后的穩(wěn)定狀態(tài)，肯定是 Vin+ 基本等于 Vin- 的。
這種 Vin+ = Vin- ，在分析的時(shí)候就當(dāng)成短路了一樣來(lái)分析，但又不是真正的短路，所以叫做虛短。
實(shí)際上記住運(yùn)放的特性就明白了。
虛斷：
虛斷，其實(shí)也就指的是運(yùn)放的輸入端沒(méi)有電流流入和流出。
就類似于電路斷開(kāi)了就沒(méi)有電流了，所以分析的時(shí)候把兩個(gè)輸入端想象成斷開(kāi)的，稱為虛斷。
其實(shí)只要知道運(yùn)放的輸入阻抗非常非常高，這點(diǎn)也能很好的明白。
新手是否需要去記這個(gè) 虛短與虛斷 看個(gè)人把，但是通過(guò)本文的分析，你應(yīng)該什么都能夠理解了。
結(jié)語(yǔ)
本文使用了幾個(gè)簡(jiǎn)單的幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)，說(shuō)明了一下如何去理解分析運(yùn)放。
1、 運(yùn)放的輸入端是沒(méi)有電流流入或者流出的。
2、 假如運(yùn)放的 正輸入端的電壓 低于 負(fù)輸入端的電壓 ，他會(huì)產(chǎn)生他能夠輸出的最大負(fù)電壓 ；假如運(yùn)放的 正輸入端的電壓 高于 負(fù)輸入端的電壓 ，他會(huì)產(chǎn)生他能夠輸出的最大正電壓 ；
如果能夠理解記住本文的內(nèi)容，那么大家在以后遇到運(yùn)放電路分析的時(shí)候是大大的有幫助的，有些東西沒(méi)必要死記硬背，了解運(yùn)放的特性和工作原理，可以讓你在面對(duì)不同的運(yùn)放電路時(shí)，都能夠得心應(yīng)手。
當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中我們常用的運(yùn)放電路也就那么一些，有時(shí)間會(huì)單獨(dú)出一篇應(yīng)用本文的知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容進(jìn)行分析。
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