理想運放與虛斷虛短的來源

理想運放與虛斷虛短的來源今天開始，聊一聊運放吧，之前很多兄弟們也提了這個要求。正好我最近也想深入看看運放方面的，那么就借這個機會一步一步再搞一搞吧。運放這個器件相對于電阻，電容，三極管，MOS管等器件算是比較復雜的，而且電路中也常用，出問題的情況也多，顯然一篇文章根本就說不明白運放，因此，我可能要寫很多期。具體多少期，寫哪些內(nèi)容，我一向都是不做計劃，隨心所欲，兄弟們有需求也可以提，我可以看情況安排。背景介紹完了，那么就開始了。第一步，理想運放首先，第一個問題，我為什么要說理想運放呢?因為一般來說，我們了解一個東西，都是先將它當做理想來看的，這樣最為簡單，也最容易懂。當我們拿到一個陌生的電路，首先我們肯定是要知道這個電路是干什么用的對不?這個時候我們就先不用考慮電路中器件的非理想特性，比如先不考慮溫漂，漏電，寄生電感，寄生電容等等這些。我們就先把它當做理想的，然后看這個電路到底實現(xiàn)了什么功能，運放電路一般也是這么分析的。等我們知道這個電路是干啥用的，然后再看看器件的哪些特性會導致這個電路失效，或者說不按照預期的工作，這個時候就要考慮非理想特性了。所以，我們了解理想運放的目的，就是為了在一開始的時候能快速的分析出電路的工作原理，實現(xiàn)了什么功能。其次，理想運放有哪些特性呢?理想運放主要有以下三點：1、增益無窮大2、輸入阻抗無窮大3、輸出阻抗為0那么這三點特性又是怎么來的呢?1、增益無窮大增益無窮大好理解，因為一般運放的增益就是很大的，比如Ti的uA741，開環(huán)增益是105dB左右，計算一下是多少倍呢?20log(Av)=105dB，計算得Av=10^5.25=177828，大約是18萬倍。相對于我們一般電路中幾十倍的放大倍數(shù)，這個很大了。2、輸入阻抗無窮大理想運放的輸入阻抗無窮大，我們看看實際運放的，還是以Ti的uA741為例，如下圖：可以看到，輸入阻抗還是比較大的，典型值是2MΩ，其實這個芯片在運放中阻抗算是偏小的了。比如TI的另外一款芯片LM358的輸入阻抗就更大，差分輸入阻抗10MΩ，共模輸入阻抗4GΩ。總之，運放的輸入阻抗就是比較大的，因此呢，我們在進行原理性，分析電路工作原理的時候，就是把運放的輸入阻抗看成是無窮大的。3、輸出阻抗為0理想運放的輸出阻抗可以看成是0。一般我們不會用運放直接驅(qū)動大功率的負載，而運放的輸出阻抗一般也就是幾十Ω或者上百Ω，相對后級來說，輸出阻抗可以忽略，因此可以將運放的輸出阻抗看出無窮小，也就是0，這樣分析起來方便，而且結果也不會有太大的差異。比如ti的uA741的輸出阻抗為75Ωti的LM358輸出阻抗為300Ω可能有人會認為，這阻抗也不是很低啊，咋就能忽略呢?這個其實還是看應用，如果運放后端的電路等效輸入阻抗比較高，那么自然就可以忽略的。如果負載的輸入阻抗本身也就只有幾十或百Ω，那么自然就不能完全忽略。以上就是理想運放的三個最大的特點，我們在拿到一個電路后，利用這三個特點，一般就能將運放電路的基本功能給分析出來。但是可能會問這個問題：我們通常明明是利用運放的“虛短”和“虛斷”分析電路的，根本就不是上面說的的這三個特點，那這又是咋回事呢?答案其實也很簡單，那就是運放的“虛短”和“虛斷”，是根據(jù)上面理想運放三個特點推導出來的。虛斷和虛短1、虛斷“虛斷”相對于“虛短”來說，相對簡單點。前面說理想運放的輸入阻抗無窮大，解讀一下就是說，如果給運放的輸入端加個電壓，那么流入流出運放的輸入管腳的電流就是0，阻抗無窮大嘛，自然沒有電流，那就相當于是開路，也就是斷路。但是呢，這跟完全斷路又不一樣，因為運放還是會感應輸入端的電壓的，所以也不是真的斷路，因此，稱為“虛斷”?？梢钥吹?，“虛斷”跟把運放接成什么樣的電路沒有關系，只要是個集成運放，都可以運用虛斷來分析(嚴格來說，實際運放輸入端還是有電流的，只是相當小。如果外部電阻實在太大，導致電阻電流接近或者超過運放的輸入端微小電流，“虛斷”還是會失效的)。相對于“虛斷”的基本無門檻使用，運放的“虛短”使用是有門檻的。2、虛短先說結論，虛短使用有兩個條件a、電路為負反饋電路b、運放工作在線性放大區(qū)要理解這兩點，我們只需要知道“虛短”是咋來的就好了首先，虛短的意思是什么呢?我們知道，運放有兩個輸入端，同相端和反相端，“虛短”說的就是同相端和反相端的電壓一樣，就跟短路一樣，那它是如何做到這一點的呢?我們前面說的理想運放的三個特點也沒有這個呀?下面就以下圖的電路為例子，看看為什么最終是u+=u-的?假設剛開始時，各處電壓為0，突然u1瞬間從0變?yōu)?.5V，因為uo一開始為0V，根據(jù)“虛斷”，u-沒有電流流入放大器，所以u-為uo在R1和R2上的分壓，依然為0V。當u+瞬間為2.5V后，u-為0V，u+>u-，放大器會朝著電壓增大的方向進行放大，即uo電壓會開始升高。當uo增大到1V，u-依然為uo的在R1和R2上的分壓，即為0.5V。此時u+=2.5V，u-=0.5V，u+>u-，放大器將電壓繼續(xù)正向放大，因此uo繼續(xù)增大。那問題來了，uo增大到多少會停止呢?很容易想到，只要u+>u-，因為我們現(xiàn)在討論的是理想運放，放大倍數(shù)為無窮大，所以uo就會增大(放大器是這樣一個裝置，它總是將輸入電壓放大Auo倍，即總滿足：Uo=Au*(u+-u-))。只有當uo增加到5V時，u-電壓為uo在R1和R2的分壓正好是2.5V，u-等于u+，此時放大器達到平衡，不再放大，即穩(wěn)定態(tài)就是現(xiàn)在了。那為什么穩(wěn)定態(tài)一定是u-=u+，u->u+不行嗎?我們也可以假設下，萬一uo一不小心超過了5V，那么u-就會大于2.5V，u-會大于u+，此時放大器會將輸出電壓反方向放大，也就是減小，最終電壓還是會向5V逼近。因此，不論電路初始狀態(tài)電壓是怎么樣的，最終輸出都會穩(wěn)定在5V，而且u+=u-，因為一旦u+不等于u-，那么在無窮大的放大倍數(shù)下，輸出必然會變化，最終還是會導致u+=u-。前面這些有點繞，我們仔細想一下，邏輯是不是這樣：當u+不等于u-時，輸出就會變化，這個變化又會送回到輸入端，圖中為u-，進而導致u+與u-的差值變小，差值變小，意味著輸入信號變小了(運放的輸入是u+-u-，也就是差值)。也就是說，輸出信號將自己通過電阻R2和R1又送到輸入端，降低了輸入信號，這不就是負反饋嗎?總之，對于上面這個負反饋電路，最終的結果就是：u+=u-。如果我們將運放的同相端和反相端顛倒會發(fā)生什么呢?同樣的，當輸入突變成2.5V，因為uo初始還是0V，那么u+也是0V，此時有u+<u-，因此，輸出要減小，變成負的。當輸出減小時，根據(jù)分壓關系，u+也要減小，也是負的，也就說u+比u-小得更多了，即u+與u-的差值更大了。差值更大，意味著輸入信號變大了(運放的輸入是u+-u-，也就是差值)。也就是說，輸出信號將自己通過電阻R2和R1又送到輸入端，加強了輸入信號，這不就是正反饋嗎?很容易想到，最終的穩(wěn)態(tài)就是uo能輸出多低就是多低，如果是單電源供電，那么uo=0V，此時u+=0V，而u-=2.5V，顯然，u+不等于u-，也就是說不滿足“虛短”由上面可知，“虛短”必須是負反饋，但是還需要個條件。就是放大器需要工作在線性放大區(qū)，為什么這么說呢?以前面的負反饋為例子，當輸入2.5V時，輸出就是5V了，但是假如供電只有3.3V呢?顯然，輸出超不過5V，此時放大器工作在飽和區(qū)，頂天了放大器也只能放大到3.3V，因此輸出最終達不到5V，那么u-自然也到不了2.5V了，此時u+也就不等于u-了，也就不滿足虛短了。所以說，滿足虛短還需要放大器工作在線性放大區(qū)。問題這里我們可以再深入下，前面我們把運放當作理想運放，也就是增益無窮大，最終得到u+=u-，也就是虛短。如果增益不是無窮大，而是一個有限的值，那么u+和u-的關系是怎么樣的呢?首先，我們先思考下，運放到底是個什么東西?其實運放可以看成一個這樣的東西，它總能將u+和u-的差值放大Auo倍。想想，是不是這么個玩意兒，其實它自己也不知道外面到底接了什么電路，反正就將u+與u-的差值，放大Auo倍，然后送到輸出uo。因此，天然就有了這么個公式：uo=(u+-u-)*Auo變換一下，得：u+-u-=uo/Auouo是一個有限的值，如果3.3V供電，uo不會超過3.3，就假定uo=3.3V吧，假如Auo是一百萬倍，Auo=1000000，那么：u+-u-=3.3V/1000000=3.3uV可以看到，u+與u-的電壓差值只有3.3uV，這是相當小的，我們在分析電路電壓的時候，自然可以忽略這個壓差，把它們看成是相等的