分析比例运算电路的工作原理

知识储备

1.理想集成运放的性能指标

目前，集成运放的应用极为广泛，已经可以作为晶体管一样的基本器件来使用。而且由于集成电路制造技术的发展，集成运算放大器性能越来越好，使用上越来越做到了模块化。尤其在一般场合，使用者完全可以将集成运算放大器当作理想器件来处理，而不会造成不可允许的误差。理想运放的主要性能指标如下。

（1）开环差模电压放大倍数为无穷大，即Aud→∞。

（2）差模输入电阻为无穷大，即rid→∞。

（3）输出电阻为0，即ro→0。

图3.19　理想运放电路符号和电压传输特性

（4）输入失调电压UoI和输入失调电流IoI都为0。

（5）共模抑制比为无穷大，即KCMR→∞。

（6）开环带宽为无穷大，即BW→∞。

理想运放的电路符号和电压传输特性如图3.19所示。图中的“∞”表示开环电压放大倍数为无穷大的理想化条件。以后如果没有特别注明，所有电路图中的运放均作为理想运放处理，无穷大的符号也不一定都画。

2.集成运放线性应用的两个重要特征

从理想运放的电压传输特性可以看出，理想运放的线性区为零，实际运放的线性区也很窄。要使得集成运放工作在线性区（即线性应用）的必要条件是引入深度负反馈。

当集成运放工作在线性区时，不难看出运放工作在线性区时有两个重要特征如下。

（1）由于运放的电压增益Aud→∞，而输出电压uo有限，因而有

即

这说明运放同相与反相输入端的电压几乎相等，相当于短路，常称为“虚短”。

（2）由于运放的输入电阻rid→∞，因此反相端和同相端的输入电流等于0，即

这表明，运放的两个输入端相当于开路，常称为“虚断”。

“虚短”与“虚断”的概念是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

实现输出信号与输入信号成比例关系的电路，称为比例运算电路。根据输入方式的不同，有反相输入和同相输入比例运算两种形式。

3.反相输入比例运算电路

图3.20　反相比例运算电路

反相输入比例运算电路如图3.20所示，输入信号ui通过R1加到集成运放的反相输入端，输出信号通过Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压并联负反馈，该电路可实现对输入电压的反相放大。

由于电路存在“虚短”和“虚断”，有u-=u+=0，即运放的两个输入端与地等电位，常称为“虚地”（Virtual Ground）；根据“虚断”的概念，流过R1、Rf的电流相等，即

输出电压与输入电压成比例关系且相位相反，因此该电路称为反相输入比例运算电路。为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，因而在实际电路中同相输入端接入了平衡电阻R2=R1//Rf。

4.同相输入比例运算电路

电路如图3.21所示，输入信号ui通过R2加到集成运放的同相输入端，输出信号通过Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈；反相输入端经电阻R1接地。根据“虚短”和“虚断”的概念，有u-=u+=ui，流过R1、Rf的电流相等，即

输出电压与输入电压成比例关系且相位相同，因此该电路称为同相输入比例运算电路。为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，因而在实际电路中同相输入端接入了平衡电阻R2=R1 //Rf。

当R1→∞时，Uo1=Ui，称为电压跟随器，如图3.22所示，其电压跟随效果比共集电极放大器更好。(www.xing528.com)

图3.21　同相输入比例运算电路

图3.22　电压跟随器电路

自测习题

自测习题答案

1.判断

（1）理想运放接有负反馈时，将工作在非线性区。（　　）

（2）凡是运算电路都可利用“虚短”和“虚断”的概念求解运算关系。（　　）

（3）使用集成运算放大器器件来组成比例运算电路，这时可按比例运算关系任意选用电阻值。（　　）

2.填空

（1）比例运算电路中集成运放工作在_______________区，分析时可以利用其________________和___________两个特点。

（2）理想运算放大器在线性应用时，“虚短”是指____________；“虚断”是指_________。

3.分析

（1）电路如题3（1）图所示，当RL的值由大变小时，IL是否会变化？如果会变化，将如何变化（变大、变小）？

（2）电路如题3（2）图所示，分析图中第一、第二、第三级分别为运放的哪几典型应用电路？并求输出电压Uo1、Uo2及Uo的表达式。

题3（1）图

题3（2）图