这一章在干嘛?
拆开运放这个黑盒子:先看它的心脏——差分放大电路,再理解「理想运放」的两条黄金法则,最后用虚短虚断推出反相/同相/求和/积分/微分这些经典电路。运放是模拟电路的乐高积木,这一章就是拼装说明书。
10.1 差分放大:运放的心脏
运放(Op-Amp)是一个高增益、高输入阻抗、低输出阻抗的差分放大器,有两个输入端:反相端(−)和同相端(+):
原书图 10.1:基本运放符号:反相端 −、同相端 +、一个输出
原书图 10.3:差分(双端)输入:只放大两输入之差
V
o
= A
d
·(V
1
− V
2
) 开环增益 A
d
通常 10
5
量级
心脏是差分对:两颗配对管子共享一个射极电阻,只对「差」敏感:
原书图 10.9:基本差分放大电路:对称结构,放大差模、抑制共模
共模抑制(CMRR):
两输入叠加的「相同部分」(如共模干扰)应该被完全忽略。差分结构 + 恒流源尾巴,共模增益被压到极低——这就是传感器信号能从噪声里被干净取出的原因。
原书图 10.8:共模操作:两输入相同时输出理想为零
10.2 理想运放与两条黄金法则
分析运放电路前先做「理想化」:开环增益无穷、输入阻抗无穷、输出阻抗为零、带宽无穷:
原书图 10.30:运放的实用等效电路:A_v·V_d 受控源 + 输出电阻
黄金法则(虚短虚断):
① 虚断:输入端不吸电流(I + =I − =0);② 虚短:负反馈存在时 V + ≈V − (增益太大,输出稍有偏差就把自己拉回来)。几乎所有运放电路分析都靠这两条。
10.3 反相、同相与虚地
反相放大器:信号经 R1 进反相端,Rf 从输出拉回。虚短使反相端电位≈0,称为虚地:
原书图 10.33:虚地:反相端电位≈0,但并非真接地
原书图 10.34:反相放大器:A_v = −R_f/R_1
A
v
= −R
f
/R
1
(只由电阻比决定,与运放自身参数无关!)
同相放大器:信号进同相端,增益为正:
原书图 10.35:同相放大器:A_v = 1 + R_f/R_1,输入阻抗极高
10.4 求和、积分与微分
求和放大器:多路信号各经一颗电阻汇入虚地点,加权相加:
原书图 10.37:求和放大器:V_o = −(R_f/R_1·V_1 + R_f/R_2·V_2 + …)
积分器:反馈元件换成电容,输出正比于输入的积分——方波进、三角波出:
原书图 10.39:积分器:阶跃输入下输出线性斜坡
微分器:电容和电阻换位,输出正比于输入的变化率:
原书图 10.41:微分器电路
现实提醒:
积分器要做「复位」(防积分漂移饱和),微分器要串小电阻(防高频噪声放大)。教科书电路和实际电路差的那一口气就在这里。
10.5 实际运放:741 与它的局限
真实运放不是无穷好:开环增益有限且随频率下降(GBW 常数)、有输入失调电压/偏置电流、压摆率限制:
原书图 10.47:开环增益随频率下降:f_T 处降为 0 dB
原书图 10.49:经典 741 运放的数据规格页
选型速记:
741 是教科书常客但已老旧;TL071/TL082(JFET 输入)便宜好用;LM358 双运放、LM324 四运放适合单电源;要高精度上 OP07/精密运放,要宽带宽上电流反馈型。
1. 「虚短」和「虚断」分别指什么?为什么成立?
虚断:输入端不取电流,因输入阻抗无穷大;虚短:两输入端电位近似相等,因开环增益极大,负反馈下输出只需极小的差分输入就能达到有限值。两者都只在负反馈闭环时才好用。
2. 反相放大器增益为什么只由 R_f/R_1 决定?
虚地使反相端电位为 0,虚断使 R_1 与 R_f 串联同流:V_o/R_f = −V_i/R_1,运放自身参数(增益、阻抗)被负反馈「隐藏」了。
3. 差分放大电路为什么能抑制共模噪声?
噪声在两根输入线上幅度相同(共模),对称差分结构对两路的增益相同、输出取差后相互抵消;只有两输入的「差」(真正的信号)被放大。CMRR 越大抑制越强。