運(yùn)算放大器的工作狀態(tài)判斷

運(yùn)算放大器工作狀態(tài)的判斷一、摘要運(yùn)算放大器最早被設(shè)計(jì)出來的目的是用來進(jìn)行加、減、微分、積分的模擬數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此被稱為“運(yùn)算放大器”。同時(shí)它也成為實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算機(jī)的基本建構(gòu)單元。然而，理想運(yùn)算放大器的在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的用途卻遠(yuǎn)超過加減等的計(jì)算。今日的運(yùn)算放大器，無論是使用晶體管或真空管、分立式（discrete）元件或集成電路元件，運(yùn)算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運(yùn)算放大器的要求。目前運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于家電，工業(yè)以及科學(xué)儀器領(lǐng)域。一般用途的集成電路運(yùn)算放大器售價(jià)不到一美元。（以上引自維基百科）由于運(yùn)放的運(yùn)用十分廣泛，因此，學(xué)習(xí)了解它的特性變得十分重要。運(yùn)算放大器的工作狀態(tài)大致可以分為線性工作狀態(tài)和非線性工作狀態(tài)。它們的電路工作特點(diǎn)和功能有著本質(zhì)的區(qū)別。所以，我們主要需要掌握分析一個(gè)運(yùn)算放大器到底工作在哪個(gè)工作狀態(tài)的能力。其中要能工作在線性狀態(tài)必須接入一個(gè)負(fù)反饋，才能保證運(yùn)算放大器工作在線性狀態(tài)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大功能。而要工作在非線性狀態(tài)則運(yùn)放必須開環(huán)或者接入一個(gè)正反饋，開環(huán)下一般用于單門限比較器，而正反饋則用于遲滯比較器。一般情況下反饋放大器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ腿缦聢D所示：若AF=0則開環(huán)；若AF<0則為負(fù)反饋；若AF>0則為正反饋；若AF>1則為正反饋且與A反相；在接下來的報(bào)告里，我們以一個(gè)簡(jiǎn)單的加法器為例，對(duì)其中運(yùn)放在不同條件的的工作狀態(tài)進(jìn)行詳盡的理論分析和仿真驗(yàn)證。二、理論分析一個(gè)加法器的電路圖如下：假設(shè)這個(gè)運(yùn)算放大器的開環(huán)增益為A（1）由電路圖分析可得：，式①，式②由式①、式②可得：所以這種運(yùn)算放大器電路的工作狀態(tài)主要取決于：的大小關(guān)系。（2）若：，則：因?yàn)锳→無窮大，此時(shí)電路為單門限比較器（開環(huán)）（3）若，則：分別就大于和小于關(guān)系進(jìn)行討論。（4）若，則：此時(shí)電路為遲滯比較器（正反饋）（5）若，則：此時(shí)電路為線性放大（負(fù)反饋）三、實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證（基于）（一）（1）若時(shí)因?yàn)锳→無窮大，所以此時(shí)電路為單門限比較器（開環(huán)）（2）仿真驗(yàn)證：我們?nèi)?，即滿足，此時(shí)由于A取無窮大所以，此時(shí)電路表現(xiàn)為單門限比較器，在輸入正弦波的時(shí)候輸出波形為方波。理論分析與仿真結(jié)果一致，證明結(jié)論是正確的。（二）（1）若，則：此時(shí)電路為遲滯比較器（正反饋）（2）仿真驗(yàn)證：這里取，滿足關(guān)系式成立；則理論分析與仿真結(jié)果一致。在實(shí)際焊接得到的電路中測(cè)試則并沒有得到同樣的結(jié)果，原因是理論計(jì)算是只計(jì)算了反饋網(wǎng)絡(luò)一次反饋的結(jié)果，而仿真也只計(jì)算了一次，而在實(shí)際電路中，這種反饋隨時(shí)間的累加會(huì)超過供電電壓而使運(yùn)放進(jìn)入非線性，電路發(fā)生自激不能穩(wěn)定工作。（三）（1）若，則：此時(shí)電路為線性放大（負(fù)反饋）（2）仿真驗(yàn)證：，則：當(dāng)輸入為正弦波的時(shí)候，輸出也應(yīng)該為正弦波，放大器工作在線性狀態(tài)。理論分析與仿真結(jié)果一致，證明結(jié)論是正確的。三、運(yùn)放的應(yīng)用實(shí)例:對(duì)于上圖電路，若二極管支路導(dǎo)通，那么電路就處于負(fù)反饋狀態(tài)。此時(shí)：(2)對(duì)于上圖電路若：則：Vin<VTH=VDZ+Von若：則：Vin>VTL=-（VDZ+Von）此時(shí)，電路工作在非線性狀態(tài)，得到如圖波形：（3）差分放大仿真驗(yàn)證，理論計(jì)算是正確的，用這種電路可以設(shè)計(jì)一個(gè)差分放大電路。電流放大與電流電壓轉(zhuǎn)換:利用這種電路可以實(shí)現(xiàn)電流的放大:利用這種電路可以實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換：（5）電壓電流轉(zhuǎn)換如果RL<<R，那么：IR5=IRL=Io從而實(shí)現(xiàn)電壓電流的轉(zhuǎn)換。（6）負(fù)電阻四、總結(jié)運(yùn)算放大器的工作狀態(tài)，主要取決于電路中正反饋占主要地位還是負(fù)反饋占主要地位。若負(fù)反饋占主要地位，則為線性工作狀態(tài)；若正反饋占主要地位，則為非線性工作狀態(tài)。根據(jù)運(yùn)算放大器的不同工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)不同的電路功能。如果運(yùn)算放大器工作在線性狀態(tài)（負(fù)反饋狀態(tài)），可以設(shè)計(jì)線性放大電路。若電路工作在正反饋或者是開環(huán)狀態(tài)，那么我們可以用來設(shè)計(jì)單門限比較器、滯回比較器等。五、關(guān)于研討式教學(xué)的體會(huì)和建議從這個(gè)學(xué)期的經(jīng)歷來看，研討式教學(xué)不同于老師一個(gè)人在課堂講授的模式，而是把研討任務(wù)布置給學(xué)員自己，讓自己去自學(xué)并做報(bào)告，老師則在一旁指導(dǎo)。這種教學(xué)方法能調(diào)動(dòng)大家的積極性，提高自己的動(dòng)手能力，并且從知識(shí)掌握的角度來講，個(gè)人親