1。 理想的運算放大器
電流– 1.理想的運算放大器
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理想的運算放大器
本節使用了 系統 提出理想運算放大器基礎的方法。 因此，我們將運算放大器視為具有輸入和輸出端子的模塊。 我們目前不關心運算放大器中的各個電子設備。
運算放大器是一種放大器，通常由正電源和負電源供電。 這允許輸出電壓在地電位之上和之下擺動。 該運算放大器廣泛應用於許多線性電子系統。
名稱 運算放大器 源自運算放大器電路的原始用途之一; 執行數學 操作 在模擬計算機中。 這一傳統應用將在本章後面討論。 早期的運算放大器使用單個反相輸入。 輸入端的正電壓變化導致輸出端出現負變化。
因此，為了理解運算放大器的操作，有必要首先熟悉受控（從屬）源的概念，因為它們構成了運算放大器模型的基礎。
1.1依賴源
相關（或受控）源產生電壓或電流，其值由存在於電路中另一位置的電壓或電流確定。 相反，無源器件產生電壓或電流，其值由存在於電路中相同位置的電壓或電流確定。 獨立和相關的電壓和電流源都是有源元件。 也就是說，它們能夠為某些外部設備供電。 無源元件不能發電，儘管它們可以存儲能量以便稍後輸送，如電容器和電感器的情況。
下圖說明了常用於電路分析的放大裝置的等效電路配置。 最右邊
電阻是負載。 我們將找到該系統的電壓和電流增益。 電壓增益Av定義為輸出電壓與輸入電壓之比。 類似地，電流增益Ai是輸出電流與輸入電流的比率。
圖1-固態放大器件的等效電路
輸入電流為：
第二個電阻中的電流， i1直接從歐姆定律中找到：
（2）
然後輸出電壓由下式給出：
（3）
在公式（3）中， ‖ 表示電阻的並聯組合。 輸出電流直接從歐姆定律中找到。
（4）
然後通過形成比率找到電壓和電流增益：
（5）
（6）
1.2 運算放大器等效電路
圖2-運算放大器和等效電路
F圖2 （A） 表示運算放大器的符號，圖2（b）表示其等效電路。 輸入端子是 v+ 及 v - . 輸出端子是 v出。 電源連接在 +V, -V 和地面終端。 通常是電源連接 從示意圖中省略。 輸出電壓的值受限於 +V 及 -V 因為這些是電路中最正負的電壓。
該模型包含一個從屬電壓源，其電壓取決於兩者之間的輸入電壓差 v+ 及 v - 。 兩個輸入端子稱為 非反相 及 反相 分別是輸入。 理想情況下，放大器的輸出不依賴於兩個輸入電壓的大小，而只取決於它們之間的差異。 我們定義了 差分輸入電壓，vd，作為區別，
（7）
輸出電壓與差分輸入電壓成正比，我們將該比率指定為開環增益G。因此，輸出電壓為
（8）
作為一個例子，輸入 
(E 通常是小振幅）應用於非反相輸入，反相端接地，產生 
在輸出。 當同相源信號施加到反相輸入端且非反相端接地時，輸出為 
.
運算放大器的輸入阻抗在圖2（b）中顯示為電阻。
輸出阻抗在圖中表示為電阻Ro。
理想的運算放大器的特徵如下：
這些通常是對實際運算放大器參數的良好近似。 實際運算放大器的典型參數是：
因此，使用理想的運算放大器逼近實際運算放大器是電路分析的一個有價值的簡化。
讓我們探討開環增益無限的含義。 如果我們重寫公式（8） 
如下所示：
（9）
然後讓 G 接近無窮大，我們看到了
（10）
通過觀察輸出電壓不能是無窮大來得到等式（10）。 輸出電壓的值受正負電源值的限制。 公式（10）表示兩個端子的電壓相同：
（11）
因此，等式（11）的相等性使我們可以說輸入端子之間存在虛擬短路。
由於理想運算放大器的輸入電阻是無窮大的，因此進入每個輸入，反相端子和非反相端子的電流為零。
當在線性放大模式中使用實際運算放大器時，增益非常大，並且等式（11）是一個很好的近似值。 但是，實際運算放大器的幾種應用在非線性模式下使用該器件。 公式（11）的近似值對這些電路無效。
雖然實際的運算放大器具有高電壓增益，但這種增益隨頻率而變化。 因此，運算放大器通常不以圖2（a）所示的形式使用。 這種配置稱為開環，因為沒有從輸出到輸入的反饋。 我們稍後會看到，雖然開環配置對比較器應用很有用，但線性應用的更常見配置是帶反饋的閉環電路。
外部元件用於將輸出信號的一部分“反饋”到輸入。 如果將反饋元件放置在輸出和反相輸入之間，則閉環增益會降低，因為輸出的一部分會從輸入中減去。 稍後我們將看到，反饋不僅會降低總增益，而且還會使該增益對G值的靈敏度降低。有了反饋，閉環增益將更多地取決於反饋電路元件，而對基本運算放大器的依賴則更少實際上，閉環增益基本上與G的值無關，它僅取決於外部電路元件的值。
圖（3）說明了單級負反饋運算放大器電路。
圖3-反相運算放大器
因此，我們將在下一節中分析該電路。 現在，請注意一個電阻， RF，用於連接輸出電壓， v出 到反相輸入， v - .
另一個電阻， Ra 從反相輸入連接， v - ，對輸入電壓， va。 第三個電阻， R 放置在非反相輸入和地之間。
使用運算放大器，電阻器和電容器的電路可以配置為執行許多有用的操作，例如求和，減法，積分，微分，濾波，比較和放大。
1.3 分析方法
我們使用兩個重要的理想運算放大器屬性分析電路：
- 之間的電壓 v+ 及 v - 是零，或 v+ = v - .
- 目前進入兩者 v+ 及 v - 終端為零。
這些簡單的觀察結果導致分析任何理想運算放大器電路的程序如下：
- 在非反相端子寫出基爾霍夫電流定律方程， v+.
- 在反相端寫入基爾霍夫電流定律方程， v - .
- 在你的生活中 v+ = v - 並求解所需的閉環增益。
在應用基爾霍夫定律時，請記住， v+ 及 v - 終端為零。