运算放大器

• 运算放大器是一个模拟电子模块,最初被应用于模拟计算机中，实现数字运算,所以才被称为运算放大器，简称运放

• 它有两个输入引脚，标示着“+”的是同相输入端，标示着“-”的是反相输入端,在图形的另一边是输出端,除了输入输出引脚之外，运算放大器有两个电源引脚,VDD为正电源，VSS为负电源,以前的大部分运算放大器，都会接正、负两个电源,当然，现在也有不少的运放集成电路允许使用单电源,在使用单电源的时候，负电源引脚VSS往往就直接连接在地上
  

• 运算放大器最基本的工作特性,就是将两个输入引脚之间的差值，乘以放大电路的增益，在输出引脚上实现放大和输出

• 当同相输入大于反相输入时，输出为正,当同相输入小于反相输入时，输出为负,运算放大器本身的增益，一般都比较高,可以达到几十万倍，甚至数百万倍,这里所谓的放大器本身的增益，也被称为开环增益,也就是指运放在没有任何外部反馈电路的情况下，理论上可以达到的增益

• 运放的另一个工作特性：运放的输出电压受限于其供电电源:如果说运放的供电电源是+/-15V,那么其输出波形的电压也只能在-15V到+15V这个范围内变化(在现实的运放中，由于运放内部结构的原因，输出波形的电压往往还不能完全达到供电电源的电压值)

• 在对运算放大器的工作进行分析时，我们往往会遵循两条黄金规则

• 第一，输出总是为了使输入之间的电压差为零(但是，这并不意味着运放可以实际改变输入电压,而是输出端通过反馈网络，试图使两个输入端之间的电压差为零,我们在做运放工作分析的时候,可以认为两个输入端的电压是相等的)

• 第二条黄金规则：运放的输入端没有电流流入(当然，在实际的运放中，会有一个nA级别的输入电流,只是在我们的分析中，我们往往可以忽略这个微小的电流)

OP07D

• 在这个运放中，只有一个放大器单元,8个引脚，实际被用到的只有5个引脚,两个输入引脚，一个输出引脚，和两个电源引脚,这是一个非常典型的运算放大器引脚配置

• 这颗芯片，有两个不同的封装，一个是贴片的SOIC封装，另一个是插件的DIP封装

• 它的电压输入范围，是从+/-4V到+/-18V,电路的例子中，使用的供电电压是+/-15V

反相放大器电路分析

我们要来分析的第一个电路，就是反相放大器,这是一个最简单的反相放大器的电路图

• 同相输入引脚接地，输入信号通过一个串联电阻R1，来到反相输入引脚

• 输出信号，通过另一个电阻R2，返回到反相输入引脚

• 这个电路之所以被称为反相放大器,你可以理解为：因为输入信号是从放大器的反相输入引脚输入的,也可以理解为，其输出信号和输入信号的极性是相反的
  

• 第一，输出总是为了使输入之间的电压差值为零,在这个电路分析中，我们可以把反相输入引脚定义为A点,把同相输入引脚定义为B点.

• 既然输入之间的电压差值为零，我们就认为A点的电压等于B点的电压,而B点在电路中是接地的，我们就认为A点的电压等于地的电压，也就是0V

• 但是，这里我们需要理解的一点是,A点并不是真正意义上的接地,没有电流可以通过A点流回到地,只是在分析的过程中，我们认为A点的电压和地相同，是0V,在有些文献资料中，A点也被称为“虚拟地”

• 根据第二条黄金规则，运放的输入端没有电流流入,在这个电路中，反相输入端没有电流流入,那么输入信号的电流，通过电阻R1之后，会流到那里去呢？

• 它不会凭空消失，所以它只能通过R2流到输出端,根据基尔霍夫电流定律，我们知道电流IR1和IR2在数值上是相等的,刚才已经说过，A点的电压是0V

• 根据电流IR1的走向，我们知道输入信号是一个正电压,当然输入信号也可以是一个负电压，在那个时候，电流的方向就会颠倒(这里只是以正电压的输入信号为例进行分析)

• 同样，根据电流IR2的走向，我们知道输出信号是一个比0V还要低的电压,换句话说，当输入信号是正电压时，输出电压就是负电压

• 那么，输出电压和输入电压之间的关系具体又是怎样的呢？

• 我们已经知道，IR1等于IR2,

• 因为A点的电压是0V，

• 所以 $I_{R1}=\frac{输入信号的电压}{R1}$,$I_{R2}=-1\ast \frac{输出电压}{R2}$

$$\Rightarrow \frac{输出电压}{输入电压}=-\frac{R2}{R1}$$

LTSPICE软件模拟

• 运放电路的供电电压是+/-15V,输入信号是一个幅值为+/-1V，频率为1kHz的正弦波

• 电阻R1和R2的取值，将放大电路的增益设置在了10倍
  

• 对这个电路进行一下模拟，分别选取输入和输出波形进行观察和比较,在这个图中，绿色的波形是输入信号，红色的波形是输出信号

同相放大器电路分析

• 电路中，输入信号直接进入运放的同相输入端,输出信号通过一个对地的电阻分压电路，反馈到运放的反相输入端

• 在分析中，我们可以理解为：两个输入引脚的电压相等

• 在这个电路中，同相输入端直接连接到了输入信号,那么，A点的电压等于输入信号的电压

• 黄金规则的第二条告诉我们，运放的输入端没有电流流入,

• 所以，输出信号在分压电阻构成的反馈网络中的电流,将像图中所示的一样，通过R2和R1，流回到地

• A点的电压，就是输出信号的电压经过两个分压电阻R1和R2分压后得到的电压

LTSPICE软件模拟

双运算放大器LM358

1. 双运算放大器： LM358是一款双运算放大器，意味着它内部有两个独立的运算放大器，通常被标记为A1和A2。

2. 低功耗： LM358是低功耗运算放大器，适用于需要长时间运行的电池供电应用。

3. 宽电源电压范围： LM358支持宽电源电压范围，典型的工作电源电压为单电源3V至32V，双电源±1.5V至±16V。

4. 单电源或双电源操作： 可以在单电源或双电源模式下操作，这增加了其在不同电源配置下的应用灵活性。

5. 低输入偏移电流和低输入偏移电压： LM358具有相对较低的输入偏移电流和输入偏移电压，适用于需要高精度的应用。

6. 开环增益高： 具有相对高的开环增益，但也可以通过外部电路配置以降低增益。

• 典型应用https://hmsemi.com/downfile/LM358_36V.PDF

CG

• 快速上手双运算放大器LM358，并制作一个电子向日葵/寻光器【IC原来如此】
• 一个很巧妙的LM358振荡电路，零基础都可以理解，几分钟就搭成了
• 运算放大器、比较器的基础 (Tutorial) 运算放大器・比较器 应用手册
• https://www.youtube.com/watch?v=Wdo9LwJV2zY
• https://www.youtube.com/watch?v=NHCXr5jiurw