运用运算放大器

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运算放大器是模拟电路的核心，要掌握好模拟电路并熟练运用到设计中，掌握好运算放大器的使用是必须的，同时对运放的各参数的把握也是很重要的。# T5 a1 O7 ]' v2 }
总体来说，运放在分析中记住两个特性，一个是虚短，一个是虚断，这两个概念是构成各种应用电路最核心的前提。虚短，是指运放两个输入端之间的电压近似短路，电压相等。虚断，是指运放两个输入端之间的电流通道是断开的，输入端之间没有电流流过。有了这两个概念，就可以分析所有形式的运放电路。但值得注意的是，这两个概念成立的条件是运放需要构成合理的负反馈，否则不成立。' s* Q. ~* W" s
% h! b* V9 d5 N这里不多提运放的基本知识。我在一次偶然的设计中，遇到电源电压不够的问题，当时运放的电源电压是正负15V，而我需要输出0-25V的电压，若用一般的运放负反馈来做，则至多输出0-15V范围，但我想到对于-15V电压，不就可以输出0-30V电压了?
& L. t" J& r. F$ {3 \思路有了，便立即行动起来，继续思考，其实问题的关键不在于运放能否输出多少电压范围，而在于-15V的供电电压本身也是有抖动的，不够稳定，因为-15V电源电压并不是严格的-15V，所以问题出现了，我不能够直接将运放输出的0-15V电压叠加到-15V上，而必须将-15V电压也引入到负反馈回路中去，于是一个思路形成，问题的重点在于如何构建合理的负反馈回路。
最后形成如下所示的电路：

! J/ |+ ~! X5 y( K8 G2 J0 z
' |( I7 k% b% `9 l" s3 R5 d1 v1 v上图中，U5为主运放，由U6和U7一起构成负反馈形成回路，最后由U5对-VCC输出。R10为匹配电阻，整分分析过程中可以将其忽略。
# U/ i7 E$ f, @  H) ?, @8 n) WU7构成1:1的反相放大器，对于U7，其输出：

. Z1 l: t- m6 O9 P
+ K; h. j0 k: x式中，由图中参数R36=R33=100K，R31=190K，R32=10K得：U7out=-Uout/20。3 u2 T; p+ I1 ]% ~% ]. R9 r% M, j
2 e2 B+ q, \% u4 Q( l& B. w# y3 p! T3 u! L" q$ y) {* b+ ]$ J

U6构成1:1的反相加法器，由R34=R37可以得到到U6反相输入端的应是两个电压之和：

. B9 @% T# C  |. ?! B- e7 v9 r
9 U! T- p- O& R将负电压取反即得：

9 ]9 f7 B/ f. q: c/ Z" y* p
按图中参数，R35=R34=R37=100K，R38=10K，R39=190K，则有U6out=-U7out+Vcc/20。即：U6out=Vcc/20-(-Uout/20)=(Vcc+Uout)/20。  t1 L* T( N. z
最后，由运放U6引入到主运放反相端形成反馈，由运放虚短：
! F$ l% v$ e3 o( d/ M+ G$ FUin=U6out=(Vcc+Uout)/20
整理后：Uout=20*Uin-Vcc* b9 \0 w2 b6 A7 t! ~. b& o
由于是对-Vcc输出，所以：URL=Uout-(-Vcc)=20Uin。从而可以得到更大范围的输出，此时Uin必须>0，因为输出已不可能为负，整个电路的输出范围由以前的-VCC到+VCC变成0到2倍VCC，并且整个过程均有负反馈稳定输出。
8 {0 ?5 I6 V" L# q$ n; P+ g- t
$ G. x4 A6 ?; u" z" ?& O7 \
+ ?: i/ O/ Q/ V上面的设计最终满足了要求，其关键在于将-VCC也引入到反馈回路中，使得输出是对-VCC而言，而并非是对GND而言，于是增大了输出范围。上面的设计中，应该注意的是构成运放比例运算的电阻取值，应该适当偏大点，否则可能会引起更大的失调，而导致放大比例不准确，参数不对称等问题。
1 C1 @* ?0 o7 l其实运放电路设计的难点在于反馈环路的设计，如何引入反馈，如何产生反馈电压，都是设计中非常值得考虑的。: Q, }0 O) B' }0 y5 V+ ~2 d9 C