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5 2運算放大器的電路模型 一 運算放大器運算放大器簡稱運放 是一種多端集成電路 通常由數(shù)十個晶體管和一些電阻構成 現(xiàn)已有上千種不同型號的集成運放 是一種價格低廉 用途廣泛的電子器件 早期 運放用來完成模擬信號的求和 微分和積分等運算 故稱為運算放大器 現(xiàn)在 運放的應用已遠遠超過運算的范圍 它在通信 控制和測量等設備中得到廣泛應用 運放器件的電氣圖形符號如圖 a 所示 運放在正常工作時 需將一個直流正電源和一個直流負電源與運放的電源端E 和E 相連 圖 b 兩個電源的公共端構成運放的外部接地端 圖5 7 運放與外部電路連接的端鈕只有四個 兩個輸入端 一個輸出端和一個接地端 這樣 運放可看為是一個四端元件 圖中i 和i 分別表示進入反相輸入端和同相輸入端的電流 io表示進入輸出端的電流 u u 和uo分別表示反相輸入端 同相輸入端和輸出端相對接地端的電壓 ud u u 稱為差模輸入電壓 運放工作在直流和低頻信號的條件下 其輸出電壓與差模輸入電壓的典型轉(zhuǎn)移特性曲線uo f ud 如圖所示 該曲線有三個明顯的特點 圖5 8 1 uo和ud有不同的比例尺度 uo用V ud用mV 2 在輸入信號很小 ud 的區(qū)域 曲線f ud 飽和于uo Usat Usat稱為飽和電壓 其量值比電源電壓低2V左右 例如E 15V E 15V 則 Usat 13V Usat 13V左右 工作于飽和區(qū)的運放 其輸出特性與電壓源相似 綜上所述 運放在直流和低頻應用時 其端電壓電流方程為 式中IB 和IB 是反相輸入端和同相輸入端的輸入偏置電流 其量值非常小 通常小于10 7A 可以近似認為等于零 uo f ud 是輸出電壓uo對差模輸入電壓ud的轉(zhuǎn)移特性 下面介紹運算放大器的兩種電路模型 二 有限增益的運算放大器模型 有限增益運放模型的符號和轉(zhuǎn)移特性曲線如圖5 9所示 圖5 9 由于實際運放的輸入電流非常小 可以認為i i 0 這意味著運放的輸入電阻為無限大 相當于開路 圖5 9 b 所示轉(zhuǎn)移特性曲線是圖5 8實際運放轉(zhuǎn)移特性曲線的分段線性近似 有限增益運放模型可以由以下方程描述 有限增益模型可以工作于三個不同的區(qū)域時 其電路模型 分別如圖 a b c 所示 1 線性區(qū)當 ud 時 uo f ud Aud 運放等效為一個電壓控制電壓源 如圖 a 所示 圖5 10 a 2 正飽和區(qū)當ud 時 uo Usat 運放的輸出端口等效于一個直流電壓源 如圖 b 所示 3 負飽和區(qū)當ud 時 uo Usat 運放的輸出端口等效于一個直流電壓源 如圖 c 所示 圖5 10 三 理想運算放大器模型實際運放的開環(huán)電壓增益非常大 A 105 108 可以近似認為A 和 0 此時 有限增益運放模型可以進一步簡化為理想運放模型 理想運放模型的符號如圖 a 所示 其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖 b 所示 圖5 11 理想運放模型可由以下方程描述 理想運放模型工作于線性區(qū) 正飽和區(qū)和負飽和區(qū)相應的電路模型 分別如圖 a b c 所示 圖5 12 上式表明該理想運放的輸入端口既像一個開路 i i 0 又像一個短路 ud 0 這可等效為一個電流為零的特殊短路 因此 該模型又稱為虛短路模型 當輸入電壓ud 0時 輸出電壓uo可以為 Usat到 Usat間的任何量值 此時 理想運放的模型為一個增益為無限大的電壓控制電壓源 VCVS 工作于線性區(qū)的理想運放模型可以由以下方程描述 根據(jù)教學需要 用鼠標點擊名稱的方法放映相關錄像 郁金香