理想运算放大器特点

理想的电压反馈型(VFB)运算放大器

INPUTS(+)

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Rev.0, 10/08, WK Page 1 of 6指南MT-032

简介运算放大器是线性设计的基本构建模块之一。在经典模式下，运算放大器由两个输入引脚和一个输出引脚构成，其中一个输入引脚使信号反相，另一个输入引脚则保持信号的相位。运算放大器的标准符号如图1所示。其中略去了电源引脚，该引脚显然是器件工作的必需引脚。

图1：运算放大器的标准符号

运算放大器”的标准简称是“运放”。这一名称源于放大器设计的早期，当时运算放大器应用于模拟计算机中。(是的，第一代计算机是模拟的，不是数字的。)当这种基础放大器与几个外部元件配合使用时，可以执行各种数学“运算”，如加、积分等。模拟计算机的主要用途之一体现在第二次世界大战期间，当时，它们被用来绘制弹道轨迹。有关运算放大器的历史，请看参考文献2。理想的电压反馈(VFB)模型理想的电压反馈(VFB)运算放大器经典模型具有以下特征：1. 输入阻抗无穷大 2. 带宽无穷大 3. 电压增益无穷大 4. 零输出阻抗 5. 零功耗

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Zero ImpedanceIDEAL OP AMP ATTRIBUTESInfinite Differential GainZero Common Mode GainZero Bias CurrentInfinite BandwidthOP AMP INPUT ATTRIBUTESInfinite ImpedanceZero Bias CurrentRespond to Differential VoltagesDo Not Respond to Common Mode VoltagesOP AMP OUTPUT ATTRIBUTESOP AMPOUTPUTPOSITIVE SUPPLY

NEGATIVE SUPPLYINPUTS(+)

(-)

Page 2 of 6 虽然这些并不现实，但这些理想标准决定着运算放大器的质量。这就是所谓的电压反馈(VFB)模型。这类运算放大器包括带宽在10 MHz以下的几乎所有运算放大器，以及带宽更高的运算放大器的90%。电流反馈(CFB)是另一种运算放大器架构，我们将在另一教程中讨论。图2总结了理想的电压反馈运算放大器的属性。

1 理想运算放大器特点

集成运算放大器，简称运放。三端元件（双端输入、单端输出的电路结构），抱负三极管，高增益直流放大器。

抱负运算放大器（有时简称运放）的特点如下：

（1）极大的输入电阻

高输入阻抗，输入端流入电流近于0，几乎不取用信号源电流，近于电压掌握特性，从而导出“虚断”概念；

（2）微小的输出电阻

具有（在负载力量以内）不挑负载，适应任意负载的特性。后级负载电路的阻抗大小不会影响到输出电压。

（3）无穷大的电压放大倍数（可达百万或千万倍）。这就打算了：在肯定供电电压条件下，放大器仅能工作闭环（负反馈）模式下，且实际的放大倍数是有限的；开环模式即为比较器状态，输出为高、低电平二态。

在闭环（有限放大倍数）状态下，放大器的脾性是随机比较两输入端的电位凹凸，不等时输出级即时做出调整动作，放大的最终目的，是使两输入端电位相等（其差为0V），从而导出“虚短”概念。

其实，在放大过程中，是在进行着“放大不离比较，比较不离放大”动态平衡的调整。

整个模拟电路教程，在高校或高职高专的正统教学规程上，其内容相当浩大，而学习难度尤高，尤其牵涉太多的高等数字运算，因而学习 2 运算电路，被相当多的学子视为畏途，更有人将模拟电路称之为“魔电”，越学越晕，导致不能学以致用。以我本人几十年来对电子电路的原理把握和实践应用阅历为据，写就该章。就我看来，整个运放电路的应用，假如用3个课时来解决掉，把握原理和检修方法，一步到位修运放电路，是完全可以实现的。

理想运算放大器4．4．1 理想运放的技术指标

在分析集成运放的各种应用电路时，常常将其中的集成运放看成是一个理想运算放大器。所谓理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化，即认为集成运放的各项指标为：

开环差模电压增益Aod＝∞；

差模输入电阻rid＝∞；

输出电阻r。＝0；

共模抑制比KCMR＝∞；

输入失调电压U10、失调电流I10以及它们的温漂αU10、αI10均为零；

输入偏置电流IIB＝0；

－3dB带宽?H＝∞，等等。

实际的集成运算放大器当然不可能达到上述理想化的技术指标。但是，由于集成运放工艺水平的不断改进，集成运放产品的各项性能指标愈来愈好。因此，一般情况下，在分析估算集成运放的应用电路时，将实际运放视为理想运放所造成的误差，在工程上是允许的。

在分析运放应用电路的工作原理时，运用理想运放的概念，有利于抓住事物的本质，忽略次要因素，简化分析的过程。在随后几章的分析中，如无特别的说明，均将集成运放作为理想运放来考虑。

4．4．2 理想运放工作在线性区时的特点

在各咱应用电路中，集成运放的工作范围可能有两种情况：工作在线性区或工作在非线性区。当工作在线性区时，集成运放的输出电压与其两个输入端的电压之间存在着线性放大关系，即

uO=Aod(u+—u-) （4．5．1）

式中uO是集成运放的输出端电压；u+和u-分别是其同相输入端和反相输入端电压；Aod是其开环差模电压增益。

如果输入端电压的幅度比较大，则集成运放的工作范围将超出线性放大区域而到达非线性区，此时集成运放的输出、输入信号之羊将不满足式（4．5．1）所示的关系式。 当集成运放分别工作在线性区或非线性区时，各自有若干重要的特点，下面分别进行讨论。

理想运放工作在线性区时有两个重要特点：

1．理想运放的差模输入电压等于零

由于运放工作在线性区，故输出、输入之间符合式（4．5．1）所示的关系式。而且，因理想运放的Aod＝∞，所以由式（4．5．1）可得

理想运算放大器的两个重要结论

以理想运算放大器的两个重要结论为标题，我们将分别讨论理想运算放大器的两个重要特性：无限增益和无限输入阻抗。

1. 无限增益

理想运算放大器的一个重要特性是其具有无限增益。什么是无限增益呢？简单来说，无限增益意味着放大器输出信号的幅度是输入信号的无限倍。这是理想运算放大器的特殊之处，它可以放大任意小的输入信号，并输出一个等比例放大的信号。

为了更好地理解无限增益的概念，我们可以以一个简单的例子来说明。假设我们有一个理想运算放大器，输入信号为1mV，而放大器的增益为无限大。根据无限增益的定义，输出信号将是输入信号的无限倍，即无限大。这意味着无论输入信号有多小，放大器都能将其无限放大。因此，理想运算放大器的无限增益特性在信号放大和处理中具有重要的应用价值。

2. 无限输入阻抗

另一个重要的特性是理想运算放大器具有无限输入阻抗。输入阻抗是指放大器对输入信号源的负载能力或接受能力。通常情况下，放大器的输入阻抗越大，表示输入信号源对放大器的负载影响越小，从而能够更有效地保持输入信号的稳定性。

在理想运算放大器中，输入阻抗被假设为无限大。这意味着放大器几乎不对输入信号源产生任何负载，从而保持了输入信号的稳定性。无限输入阻抗的特性使得理想运算放大器能够在不干扰输入信号源的情况下进行放大和处理，尤其在对于高阻抗信号源的应用中更为重要。

理想运算放大器的无限输入阻抗以及无限增益的特性使其在电子电路设计中具有重要的地位。通过将理想运算放大器与其他电子元件组合，我们可以构建各种功能强大的电路，如滤波器、比较器、积分器等。理想运算放大器的特性使得它成为现代电子设备中不可或缺的一部分。

总结起来，理想运算放大器的两个重要结论是无限增益和无限输入阻抗。无限增益使得放大器能够将输入信号无限放大，从而实现信号放大和处理的目的；无限输入阻抗保持了输入信号源的稳定性，使得放大器能够在不干扰输入信号源的情况下进行放大和处理。这些特性使得理想运算放大器在电子电路设计中具有重要的地位，并广泛应用于各种领域。