理想集成运放和传输特性

1.分析过程

为了简化分析过程，同时又满足工程的实际需要，通常把集成运放理想化，满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器：

（1）开环电压放大倍数Au0=∞，实际上Au0≥80dB即可。

（2）差模输入电阻ri=∞，实际上ri比输入端外电路的电阻大2～3个量级即可。

（3）输出电阻r0=0，实际上r0比输入端外电路的电阻小2～3个量级即可。

（4）共模抑制比足够大，理想条件下视为KCMR→∞。

在做集成运放的一般性原理分析时，只要实际应用条件不使运放的某个技术指标明显下降，均可把运算放大器产品视为理想的。这样，根据集成运放的上述理想特性，可以大大简化运放的分析过程。图3.4所示为集成运放的电压传输特性。

图3.4　集成运放的电压传输特性

电压传输特性表示开环时输出电压与输入电压之间的关系。图中虚线表示实际集成运放的电压传输特性。由实际的电压传输特性可知，平顶部分对应±UOM，表示输出正负饱和状态的情况。斜线部分实际上非常靠近纵轴，说明集成运放的线性区范围很小；输出电压u0和两个输入端之间的电压U+-U-的函数关系是线性的（斜线范围），可用式（3.2）表示

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由于运放的开环电压放大倍数很大，即使输入信号是微伏数量级的，也足以使运放工作于饱和状态，使输出电压保持稳定。当U+＞U-时，输出电压u0将跃变为正饱和值+UOM，接近于正电源电压值；当U+＜U-，输出电压u0又会立刻跃变为负饱和值-UOM，接近于负电源电压值。根据此特点，我们可得出集成运放在理想条件下的电压传输特性，如图3.4中粗实线所示。

2.结论

根据集成运放的理想化条件，可以在输入端导出两条重要结论：

（1）虚短。因为理想运放的开环电压放大倍数很高，因此，当运放工作在线性区时，相当一个线性放大电路，输出电压不超出线性范围。这时，运算放大器的同相输入端与反相输入端两电位十分接近。在运放供电电压为±12～±15V时，输出电压的最大值一般在10～13V。所以运放两输入端的电位差在1mV以下，近似等电位，这一特性称为 “虚短”。显然，“虚短”不是真正的短路，只是分析电路时在允许误差范围之内的合理近似。“虚短”也可直接由理想条件导出：理想情况下Au0=∞，则U+-U-=0，即U+=U-，运放的两个输入端等电位，可看作它们为虚假短路。

（2）虚断。差模输入电阻ri=∞，因此可认为没有电流能流入理想运放，即i+=i-=0，集成运放的输入电流恒为零，这种情况称为“虚断”。实际集成运放流入同相输入端和反相输入端中的电流十分微小，比外电路中的电流小几个数量级，因此流入运放的电流往往可以忽略不计，这一现象相当于运放的输入端开路，显然，运放的输入端并不是真正断开。

运用“虚短”和 “虚断”这两个重要概念，对各种工作于线性区的应用电路进行分析，可以大大简化应用电路的分析过程。运算放大器构成的运算电路均要求输入与输出之间满足一定的函数关系，因此都可以应用这两条重要结论。如果运放不在线性区工作，也就没有“虚短”、“虚断”的特性。如果在测量集成运放的两个输入端电位时，若发现有几个毫伏之多，那么该运放肯定不在线性区工作，或者已经损坏。

本节重要知识点学习检测

1.集成运放由哪几部分组成，各部分的主要作用是什么？

2.试述集成运放的理想化条件有哪些？

3.工作在线性区的理想运放有哪两条重要结论？试说明其概念。