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

10.2 理想运放与两条黄金法则

10.3 反相、同相与虚地

10.4 求和、积分与微分

10.5 实际运放:741 与它的局限

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(−)同相端(+)

原书图 10.1 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 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 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 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 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 原书图 10.33:虚地:反相端电位≈0,但并非真接地

原书图 10.34 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 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 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 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 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 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 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。