电路课组（一）电路原理 Part 4 二端口网络基础（1）：运算放大器
文章目录
- 1. 运算放大器
- 1.1. 运放及其表示
- 1.2. 运算放大器的传输特性
- 1.2.1.基本电气参数
- 1.2.2. 传输特性
- 1.2.3. 电路等效模型，以及电阻量级的选用
- 1.2.4. 理想运放与虚短、虚断
- 1.3. 利用运放实现信号放大功能
- 1.3.1. 反馈电路
- 1.3.2. 负反馈理想运放电路分析方法
- 1.3.3. 减法器——同相放大器和反相放大器的综合应用
- 1.3.4. 再谈理想运放的分析——复杂外路
1. 运算放大器
1.1. 运放及其表示
运算放大器是用于电路中信号运算与变换的重要元件。
电路原理课中，通常使用五端虚拟放大器进行模拟。元件如下：
1、2端为输入端，其中1称为同相输入端，2称为反相输入端。
3、4端为供电端，其中3接正电压，4接负电压。
5端为输出端，是运算的输出结果。
1.2. 运算放大器的传输特性
1.2.1.基本电气参数
- 供电电压 V C C V_{\scriptscriptstyle CC} VCC。C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压。
另外常有
- V D D V_{\scriptscriptstyle DD} VDD：D=device 表示器件的意思, 即单极器件内部的 工作电压；MOS中漏极电压。
- V S S V_{\scriptscriptstyle SS} VSS：S=series 表示公共连接的意思，通常指电路公共接地端电压
- V V E E V_{\scriptscriptstyle VEE} VVEE：负电压供电;场效应管的源极(S)
- 开环放大倍数 A A A，其满足 u o = A ( u + − u − ) = A u d u_o=A(u_+-u_-)=Au_d uo=A(u+−u−)=Aud
- 输入电阻 R i R_i Ri：输入端口的电阻，一般为MΩ级。
- 输出电阻 R o R_o Ro：输出端口的电阻，一般为Ω级。
- 饱和电压 U s a t U_{sat} Usat：饱和区对应的稳定的输出电压
1.2.2. 传输特性
如图：
- 由于有饱和电压，运放的放大关系 u o = A u d u_o=Au_d uo=Aud只能维持在输出电压绝对值较小的一个区间内。即 − u d s < u d < u d s -u_{ds}
- 超出之后，只能维持饱和电压。理想运放的工作特性决定于饱和电压。
- 实际电压进入饱和区之前是一段渐进过程，理想情况认为是有棱角的。
1.2.3. 电路等效模型，以及电阻量级的选用
等效为利用输入的电压进行控制的受控源。
这里的 R i R_i Ri和 R o R_o Ro会给我们理解输入、输出电阻提供一个很好的直观。
借助分压规律，我们可以得到输入、输出电阻和外电阻的量级选取原则：
- 对于输入电阻，为了使接入的电压尽可能分在运放上，应当使得 R i R_i Ri尽可能大，通常（容易达到且相对理想地）为MΩ量级。
- 对于输出电阻，为了使输出的电压不要消耗在内电阻上，应当使得 R o R_o Ro尽可能效，通常为Ω量级。
- 对于外电阻，要介于两者之间，既要满足几个忽略关系（忽略输入的电压损耗，输出的内电压），又要保证不对运放内部的电阻提出过高要求，应为kΩ量级。
1.2.4. 理想运放与虚短、虚断
在前一目的分析基础上，我们可以发现运放的几个“好”的特性，即：输入电阻大、输出电阻大。我们可以把这几个指标极致化，从而利用理想运放简化电路的原理性分析。
对于运算放大器来说，合理的工作电压有一个区间，也就是我们所说的线性区（如同我们在仿真中看到的一样，否则会爆上界）。
如果我们将放大倍数继续增大，可以使得传输特性进一步得到优化，线性区被确定地卡在0处。这将有利于我们的分析。
综上，对于理想运放来说，有如下几条假设：
- 开环增益A为无限大。
- 输入电阻为无限大。
- 输出电阻为0。
从而为了不饱和，输入电压 u i ≈ 0 u_i\approx0 ui≈0。看起来输入端口是一个短路端口。称为虚短
内部电阻也为无限大。从而电流 i − , i + i_-, i_+ i−,i+均为0。称为虚断
这两个分析的观点列于此：
u i = 0 i − = i + = 0 u_i=0\\ i_-=i_+=0 ui=0i−=i+=0
1.3. 利用运放实现信号放大功能
1.3.1. 反馈电路
直接将运算放大器接入电路发挥放大作用，有如下几个弊端：
- 线性区有限，且输入的微小变化对输出结果影响显著，不易保证系统鲁棒性。
- 不同的运算放大器开环增益相差很大，因而为了实现指定的放大倍数，需要寻找与之匹配的运放才能构成买组要求的放大电路。
- 运放的开环增益随温度变化而变化。迁移性差。
为了解决这个问题，我们使用负反馈方法。将一部分输出引到运放的反相输入端：
若有一个正向噪声，显然输入电压会增大，那么结果是输出电压负向增大，使得接回之后正向噪声被抵消。
至于正反馈电路，若有噪声，结果会如生态系统的系统的崩溃一样，很快趋于正向或负向饱和，失去放大的运算功能。
在上面这个电路中，我们采取理想等效。那么有
i 1 = i 2 = △ i i_1=i_2\xlongequal{\triangle}i i1=i2△i
于是：
{ i R 1 = u i − u 1 i R f = u 1 − u 0 − A u 1 = u o \begin{cases} iR_1=u_i-u_1\\ iR_f=u_1-u_0\\ -Au_1=u_o \end{cases} ⎩⎪⎨⎪⎧iR1=ui−u1iRf=u1−u0−Au1=uo
解得：
u o u i = − A R f ( R f + R 1 ) + A R 1 ≈ − R f R 1 \frac{u_o}{u_i}=-\frac{AR_f}{(R_f+R_1)+AR_1}\approx-\frac{R_f}{R_1} uiuo=−(Rf+R1)+AR1ARf≈−R1Rf
这个结果表明，负反馈的设计解决了运放的三大尴尬难题。
- 运放输入电压只需有 − U s a t < u i R f R i < U s a t -U_{sat}
- 不同运放的开环增益对放大倍数没有影响，仅受电阻调控，同时也解决了温度的影响
1.3.2. 负反馈理想运放电路分析方法
核心的想法只有两个：虚短和虚断。
注意：虚短虚断是理想运放在线性区工作的等效结果。
以上面这个反相比例放大器为例，利用虚短虚断来分析。由虚断可得 u 1 = 0 V u_1=0V u1=0V
所以得到这样的方程：
u i R 1 = − u o R f \frac{u_i}{R_1}=-\frac{u_o}{R_f} R1ui=−Rfuo
故而得： u o = − R f R 1 u i u_o=-\frac{R_f}{R_1}u_i uo=−R1Rfui.
等效为这样的分压关系：
同相放大器的分压是一个简单的串联分压关系。
u i = R 2 R 1 + R 2 u o , u o = ( 1 + R 1 R 2 ) u i u_i=\frac{R_2}{R_1+R_2}u_o,\ u_o=\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)u_i ui=R1+R2R2uo, uo=(1+R2R1)ui
1.3.3. 减法器——同相放大器和反相放大器的综合应用
首先为了靠近减法的思路，我们应该将一个同相和一个反相并在输入端两个端钮上。从而利用放大器的输入端的相减特性，可以构造出减法器。
同时，我们（看起来像瞎猜地）猜想：
U o = U 同 + U 反 = ( 1 + R f R 1 ) U 2 − R f R 1 U 1 U_o=U_同+U_反=(1+\frac{R_f}{R_1})U_2-\frac{R_f}{R_1}U_1 Uo=U同+U反=(1+R1Rf)U2−R1RfU1
实际上由虚断得： i R 1 = i R f i_{R_1}=i_{R_f} iR1=iRf；虚短得： u 2 = u − u_2=u_- u2=u−可以得到上述的结论。
为了实现减法，我们要使得上述的减式的两项系数相等。可行的解法是将 U 2 U_2 U2分压。如下图：
1.3.4. 再谈理想运放的分析——复杂外路
理想运放并不能确定输出电流的值。所以一旦有某个输出端接入电路，在分析的时候，会多出一个输出电压，同时多拆出一个KCL，所以仍然可解，但是要注意这一点。这就暗含这二端口+并联电路的分析思路。
先由虚短以及分压关系可以各自定出运放的上(面那个)端的电压值。
然后对图中所示点列KCL，有
U s − 0 3 = 0 − U 1 6 + 0 − U o 3 \frac{U_s-0}{3}=\frac{0-U_1}{6}+\frac{0-U_o}{3} 3Us−0=60−U1+30−Uo
其中 U 1 = 2 3 U o U_1=\frac{2}{3}U_o U1=32Uo
二端口分析例：
求如下电路的转移参数 T T T
正规连接
