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1、第四节 运算放大器,一 背景知识 运算放大器（简称运放）是一种包含许多晶体管的集成电路，它是目前获得广泛应用的一种多端器件。一般放大器的作用是把输入电压放大一定倍数后再输送出去，其输出电压与输入电压的比值称为电压放大倍数或电压增益。运放是一种高增益（可达几万倍甚至更高）、高输入电阻、低输出电阻的放大器。由于它能完成加法、积分、微分等数理运算而被称为运算放大器，然而它的应用远远超出上述范围。,二 译文,引言 运算放大器是一种高增益的差分放大器，它在第二次世界大战期间得到完善，并成为模拟计算机的基础。由于运算放大器被用来解差分方程，因此一段时期内模拟计算机被称为“差分分析器”。运算放大器也是很多重
2、要仪器的主要组成部分。,模拟放大器由基本的差分放大器组成，通过反馈以及其它补偿放大电路实现线性反应 、稳定性、来自漂移的自由度以及其它我们所期望的性能。我们要求它具有复杂性，因为运算放大器放大直流以及交流信号，在放大阶段不允许有容性耦合。因此我们很难隔离由温度的变化和电源电压以及其它引起输出电压漂移的因素而产生的长效变化。,在发明了晶体管后，固态运算放大器被引入成为集成电路。现在运算放大器被用来制造高品质、低功率的模拟放大器，因而我们可以在很多应用场合免去了设计单个的晶体管放大器的过程。对于大多数要求放大和很多测量和控制应用的场合，具有反馈电路的简单的运算放大器将满足设计者的需要。以双列直插式
3、封装或以其它密封形式出现的运算放大器做成的集成电路的可用性使模拟信号问题在很多方面类似数字逻辑问题那样得到解决，也就是通过集成电路的相互连接得到解决。,运算放大器,图25显示了运算放大器的符号。它有两个输入端：标有正号的为非倒向输入端，而标有负号的为倒向输入端，由运算放大器放大的电压是两个输入端之间的电压。由于开始增益是如此大，从105到106，所以仅仅是几微伏的电压差将产生相当大的输出电压。由于运算放大器是一种差分放大器，因此，在两个输入端必须都连接电压才能使之正常工作。,如果两个不同的正电压分别被加在两个输入端，而且非倒向输入端的电压大于倒向输入端的电压，那么运算放大器的输出端电压将处于最
4、大值（饱和值） 。如果电压进行相互交换其相对值也就是，如果倒向输入端的电压大于非倒向输入端的电压运算放大器将产生一个最小的输出，即为饱和负电压。每当相对电压值改变时这种转换就会很快地发生。我们将看到运算器是非常好的电压比较器，因为它在瞬间电压变换时产生很大的电压起伏。此时仅仅几微伏的电压将使先前的电压大小关系产生逆转。,如果运算放大器工作在其线性范围内，在其倒向输入端和非倒向输入端之间必须存在非常小的电压差。在分析运算放大电路时，我们假设由于存在很大的开路电压增益，所以输入端两端的电压差可以忽略不计。在某些场合我们将把电压设为零。当输出信号的一部分返回输入端作为负反馈，电压差就无法增大因为输出
5、改变使输入端的电压差减小。 另外两个性质也存在于运算放大器，它们是非常高的输入阻抗，大约106，以及很小的输出阻抗，大约100。这些性质使运算放大器变得有用因为它可以允许信号源用非常小的电流来驱动放大器，反过来，运算放大器可以驱动具有很高信号要求的器件。,概括起来，一个好的运算放大器具有以下特性： 1. 非常大的大约一百万的开路增益，倒向输入端和非倒向输入端之间相当小的电压差；很高的输入阻抗以及很小的输出阻抗。而一个理想的运算放大器将会有一个无穷大的增益。 输入端之间的一个零电位差，一个无穷大的输入阻抗以及一个零输出阻抗。 2. 很多运算放大器要求两个数值相等但符号相反的供电电压，一个为正而另
6、一为负，典型的值是12V或15V。其它运算放大器可能工作在单端输入电源，比如说15V。运算放大器的有用的输出电压范围等于大约80的供电电压，对于具有双边电源电压15V的运算放大器，输出信号被限制在大约12V。,很多运算放大器都有其局限性，其中有两点需要在这里提到，一个局限性是随着频率的增加其增益下降得很快。在低频阶段如象10Hz那么低电路增益就开始下降（功率在20分贝处开始以每10分贝的速度减小）。增益相对频率的局限性通过负反馈的补偿作用而使频带得以增宽。另外一个局限是大多数运算放大器对输入信号的改变所能起反应的速率。与逻辑门相比较，运算放大器在这个方面的性能不算好，普通运算放大器在大约1v/
7、us的速率时可以改变状态。而一个TTL数字逻辑门从一个状态到另一个状态的翻转大约比这个速度快500倍。,运算放大器的重要性在于使用负反馈网络的优点。同时应用运算放大器和逻辑门的电路因为具有两种技术优势而允许进行数字处理和分析。,Exerciese（60） 1. 运算放大器是一种集成电路，这种电路把两个输入电压的差值进行放大，然后产生一个单一的输出。运算放大器在模拟电子学中很常用，并且它在很多方面与二极管或场效应管一样，可以被视为另一种电子设备。运算放大器这个术语来源于二十世纪六十年代早期电子设备的最初应用。运算放大器与电阻器和电容器连接在一起，被应用在模拟计算机中用来完成数学运算以求解微分方程和积分方程。运算放大器的应用自从早期以来已得到很大的拓展。,2. TTL电路的输入晶体管在饱和和反相运行模式之间的区域被驱动，这种晶体管通过从饱和晶体管的基极快速拉动电荷来减少开关时间。为了提高输出阶段的开关速度我们引入了推拉式输出这个环节。最大输出取决于确定输出晶体管工作在饱和区并且确定输出晶体管的集电极电流处于最大值。最大输出值也是一定传输延迟时间的函数。,
