从这三点出发，学习运算放大器不再“犯难”

xiaocaihong

导读

记得大学时学习模拟电子电路中关于运算放大器的使用，什么同相比例放大电路、反相比例放大电路、加法电路等，不同的结构和不同输入输出公式。当时没好好学，没有认真思考为什么这样，一味的死记硬背以应付考试。随着时间的流逝，记忆渐渐模糊，等到实际搭电路测试时发现输出电压和书上的结果完全不一样，（此处的原因说明省略100字）。最后经过现实的“洗礼”，发现运算放大器使用只要搞清楚以下几点，就不再难了，若有不对的地方，还请指正。

第一点：负反馈

这一点很重要，运算放大器电路必须要接成负反馈（实现比较器功能除外）的形式，说的直白一点就是运算放大器的输出端必须反馈至反相输入端。

_图1（a）负反馈接法

图1（b）正反馈接法_

第二点：虚断、虚短

1）运算放大器的输入阻抗很大，可视为开路，因此分析时可视为流入运算放大器引脚的电流为零，这就是虚断。

2）虚短就是运算放大器的正相输入端电压与反相输入端电压相等，即Vp=Vn。为什么会这样呢，如图2所示的电路，由于运入有虚断的特性，那么电阻R3上没有电流，因此Vp=Vi，当该电路刚通电时，Vo=0V，此时Vn=0V，因此运算放大器的净输入电压为Vp-Vn=Vi，由于运算放大器的开环放大倍数的存在，Vo开始升高，由于Vn=Vo*R2/(R2+R1)，因此Vn也开始升高，从而导到净输入电压Vp-Vn变小，最终电路会达到一个平衡的状态，此时Vp=Vn，也就是虚短。

图2 同相放大电路

根据以上两点，运算放大电路的输入输出关系就可以写出来了，还时以图2所示的电路作为例子来说明，
根据虚断的特性，可以得出以下两个重要的特性

1）电阻R3上没有电流，即Vp=Vi
2）流过电阻R2的电流就是流过电阻R1的电流，即I1=I2，因此有

（1）

（2）

根据虚短的特性，Vn=Vp=Vi，因此有

（3）

式（3）就是该运算放大电路的输入输出公式。

到了这里，是不是就可以了？

答案是NO，还有一点需要注意，不然电路可能还是不能正常工作。那就是需要关注输出电压的大，即，第三点：输出电压不能超出范围。

第三点：输出电压不能超出范围

如何理解这一点呢？这里还是以同相放大电路为例，假设该电路的参数为：
运放的供电采用双电源供电，即电压是±5V
R1=1K，R2=2K
Vi=2V

图1 同相放大电路

根据同相放大电路的公式，输出电压为

(1)

如果真的搭了这样的一个电路，真的可以输出6V电压吗？

显然不可能，因为运放的供电电压最大也只有5V，也就是说该运放在这种状态下输出的电压不可能超过5V。这里还做一个假设，假设该运放是轨至轨的，即最大可输出的电压为供电电压，即最大可输出5V,最小可输出-5V。

也就是说当输入电压Vi在-1.67V~1.67V之间时，输入输出满足关系统式（1），超出这个范围就不再满足该关系，图2就是该电压的输入输出关系曲线。

图2 双电源供电的同相放大电路输入输出曲线

在实际电路设计中还有一种很常用的供电方法，即采用单电源供电，即
运放的供电采用单电源供电，即电压是5V，0V
R1=1K，R2=2K

对于这样的电路参数，其实思路是一样的，最大可输出5V,最小可输出0V（假设该运放是轨至轨的），下图是单电源供电时输入输出曲线

图3 单电源供电的同相放大电路输入输出曲线

总结

因此运算放大器电路的分析和设计只要记住或搞清楚以下三点，我想就不会再难了。

负反馈接法
理解和应用虚断、虚短特性
输出电压不能超出运放的供电电压的范围