跟著大師一起學(xué)習(xí)模擬電路

　　紫色的圓形是相加器，結(jié)合紫色的“+”、“-”符號(hào)，表示其輸出 Y=(+I)+(-X)=I-X ，在實(shí)際電路中用電阻就可以實(shí)現(xiàn);

　　方框F是反饋器件，表示從輸出O取出信號(hào)，并將其與F相乘，得到 X ，所以 X=0*F ，這里 F<1 (這個(gè)部分在實(shí)際電路中可以用電阻實(shí)現(xiàn));

　　三角形表示的放大器A，主要用三極管構(gòu)成，滿足 O=A*Y ，且A的放大倍數(shù)不穩(wěn)定，很容易受干擾。

　　可以列出方程組：

　　解得整個(gè)電路的放大倍數(shù)：

　　如果設(shè)計(jì)電路讓放大倍數(shù)A非常大，同時(shí)F不至于很小，則

　　符號(hào)">>"表示遠(yuǎn)大于

　　根據(jù)近似的思想，上述整個(gè)電路放大倍數(shù)：

　　由于反饋器件可由電阻實(shí)現(xiàn)，普通電阻的阻值不容易受外界干擾，因此F的值很穩(wěn)定，于是整個(gè)電路的放大倍數(shù)就很穩(wěn)定。我們成功的通過負(fù)反饋解決了三極管的放大倍數(shù)穩(wěn)定性問題。

　　可以看到這里的反饋部分和放大部分構(gòu)成了一個(gè)環(huán)形，所以將整個(gè)電路的放大倍數(shù)稱為環(huán)路增益，或者閉環(huán)增益;而把增加反饋之前，電路的放大倍數(shù)A稱為開環(huán)增益。由于是負(fù)反饋，雖然電路增益穩(wěn)定性提高了，但也有代價(jià)：

　　由于

于是A>>1/F，即開環(huán)增益遠(yuǎn)大于閉環(huán)增益，也就是放大器增益大大降低。但總的來說，為了穩(wěn)定性，這樣做是值得的。

　　5.運(yùn)算放大器

　　在上面的電路中，為了實(shí)際制造出開環(huán)增益A很大的放大器，往往要用多級(jí)三極管放大電路串聯(lián)的方式設(shè)計(jì)。由于這種高增益放大器的需求很常見，于是歷史上有人就把它們做成一個(gè)成品電路板模塊，要用的時(shí)候直接當(dāng)成一個(gè)元件用就行了，非常方便。這就是最初的運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱運(yùn)放。

　　集成電路的發(fā)展，使得大量晶體管元器件集成在一個(gè)小芯片上成為可能，于是就有了今天十分常用的集成運(yùn)算放大器。

　　“運(yùn)算放大器”由于最初用于模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算而得名。盡管現(xiàn)在廣泛使用的數(shù)字計(jì)算機(jī)不再用運(yùn)放進(jìn)行計(jì)算操作，但名稱還是保留了下來。而今天，運(yùn)放在模擬電路中發(fā)揮著十分重要的作用，也成為模電課程的重點(diǎn)之一。

　　6.運(yùn)放的虛短虛斷特性

　　通常運(yùn)放有兩個(gè)輸入端U+和U?，一個(gè)輸出端Uo，它們之間滿足

　　運(yùn)放開環(huán)增益A常常高達(dá)幾十萬~幾百萬，但運(yùn)放的輸出電壓受電源電壓限制，不能超出電源電壓。于是運(yùn)放的輸入-輸出關(guān)系類似下圖形狀。

　　圖中橫軸是

，縱軸是U。

　　在中間那一段直線區(qū)域，運(yùn)放在正常放大狀態(tài)，稱為線性區(qū)，滿足

　　Uo=A?(U+?U?)

　　而當(dāng)輸入的絕對(duì)值稍大一點(diǎn)時(shí)，輸出就會(huì)受到電源限制，不再滿足上述關(guān)系式，Uo的值通常比電源電壓范圍略小(注意運(yùn)放可以用雙電源，即電源電壓范圍可以在一個(gè)負(fù)值和一個(gè)正值之間)，稱為非線性區(qū)。

　　軌對(duì)軌運(yùn)放的輸出可以達(dá)到電源電壓，有興趣可以自行在網(wǎng)上搜索學(xué)習(xí)。

　　當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，Uo的值很有限，但是A很大，所以U+?U?=UoA≈0

　　即U+≈U?

　　此時(shí)運(yùn)放正負(fù)輸入端電壓幾乎相等，就像短路了一樣，稱為虛短。所以只有當(dāng)運(yùn)放工作在放大區(qū)才會(huì)有“虛短”的特點(diǎn)，而非運(yùn)放自身固有屬性。

　　另一方面，由于運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性，其輸入阻抗很大。

　　輸入阻抗可以簡(jiǎn)單理解為 輸入阻抗 = 輸入端電壓 / 輸入端電流

　　輸入阻抗大，意味著運(yùn)放輸入端只需很小的電流就能正常工作。正因?yàn)槿绱?，運(yùn)放才能用于一些微弱電流的檢測(cè)，比如人體的腦電波、肌電波，其最高電壓值只有幾mV，電流值也非常小。

　　運(yùn)放這一特性被稱為虛斷，也就是輸入端和斷路一樣，幾乎沒有電流流入。

　　與虛短不同，虛斷是運(yùn)放自身固有屬性，不會(huì)隨著電路的不同而改變。

　7.運(yùn)放的非理想特性

　　運(yùn)放由三極管構(gòu)成，顯然和三極管一樣，也會(huì)有很多不理想的特性。前面講的都是理想運(yùn)放的特點(diǎn)。而實(shí)際運(yùn)放，它不會(huì)完全滿足虛短虛斷特性，正常工作時(shí)輸入端需要電流流入，這個(gè)電流便被稱作輸入偏置電流。同樣運(yùn)放還有輸入偏置電壓、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流等非理想?yún)?shù)。

　　這些非理想特性，比如輸入偏置電流雖然很小，但有時(shí)候卻會(huì)對(duì)電路造成很大影響，導(dǎo)致電路無法工作。因此則需要通過一些手段減小這些因素造成的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)放的非理想特性是一個(gè)非常重要的問題。運(yùn)放非理想特性的消除有很多方法，這里不做介紹。

　　8.其他內(nèi)容

　　模電課程的核心就是三極管和運(yùn)放。圍繞這些器件，講解多種電路，包括：

　　●放大電路的計(jì)算分析、多級(jí)放大電路、放大器的頻率特性、反饋的思想;

　　●功率放大電路;

　　●比較器、振蕩器、積分器、微分器、波形發(fā)生等;

　　●信號(hào)運(yùn)算處理;

　　●濾波器;

　　●集成穩(wěn)壓電源電路等。

　　9.運(yùn)放和三極管的比較

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，運(yùn)放比三極管用的相對(duì)會(huì)多一些。因?yàn)檫\(yùn)放的很多特性比三極管要優(yōu)秀，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且往往運(yùn)放的成本并不高。很多時(shí)候用三極管和運(yùn)放實(shí)現(xiàn)同樣的效果，使用運(yùn)放的成本反而更低。因?yàn)檫\(yùn)放是將大量晶體管集成在一塊的，平均每個(gè)晶體管的制造成本非常低。

　　例如一個(gè)常規(guī)音頻前級(jí)放大器，一個(gè)通用運(yùn)放就能搞定，成本可能是0.2元，而用三極管實(shí)現(xiàn)同樣的效果，可能需要10個(gè)甚至更多三極管，成本或許要0.5元，并且設(shè)計(jì)時(shí)所花費(fèi)的人力成本遠(yuǎn)比運(yùn)放方案高。

　　當(dāng)然三極管也有其優(yōu)勢(shì)。在一些非常簡(jiǎn)單的電路中，并不嚴(yán)格要求放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，一兩個(gè)三極管就能完成任務(wù)，往往會(huì)用三極管以節(jié)省成本。另外在一些比較極端的條件下，比如工作在高頻率、大功率的環(huán)境下(例如射頻信號(hào)發(fā)射電路)，設(shè)計(jì)良好的三極管電路的性能會(huì)比運(yùn)放效果好很多，或者成本低很多，甚至有些情況下只有直接使用晶體管才能完成，這時(shí)就需要使用三極管來搭建電路了。

　　10.結(jié)尾

　　模電課程的介紹到此為止。但是我想說的是，模擬電路是一門非常復(fù)雜的學(xué)科，涉及的知識(shí)遠(yuǎn)不止書上的那些。書上都是按照工作原理大致介紹，簡(jiǎn)化了很多難以理解但實(shí)際中必須考慮的問題，因此實(shí)際電路和書上的差距非常之大。比如模電書中用運(yùn)放搭建的三角波發(fā)生器，用于實(shí)際電路十有八九不能工作。不過實(shí)際電路的主要原理和書中描述是一致的。因此設(shè)計(jì)模擬電路往往需要大量的經(jīng)驗(yàn)，有很多東西甚至難以解釋無法計(jì)算得出。