运放教程1-入门_暗记_电压

运算放大器起源于仿照打算机时期，用于进行加、减法、微分、积分等数学运算，因此被称为运算放大器。

常日，放大器是指一种将输入真个小电压旗子暗记放大后在输出端输出的器件。

放大器的增益（Gain）是指输出与输出旗子暗记的的幅度之间的比率，也便是放大倍数。

举个例子。
下面这个放大器的输入旗子暗记幅度为 1 伏，输出旗子暗记的幅度变为 5 伏，增益为 5：

电路中的运放一样平常长这样，有5个引脚：

这是输出引脚，输出旗子暗记会从这里出来:

标有+ 的是同相输入（Non-inverting input）引脚, 标有- 的是反相输入（Inverting input）引脚：

这两个引脚是运算放大器的正负电源引脚：

不同于阻容感等无源器件，运放须要外部电源来供电，它是个有源器件。

一样平常来说，电源电压至少须要比所需的输出电压高一两伏旁边。
比如，如果你想要的输出电压峰峰值分别为正负10 伏：

那么你的电源电压至少要为正负 12 伏：

如果你的运放供电不敷，会导致输出旗子暗记振幅失落真：

很多运放须要正负双电源。
如果你将两个 9 伏电池像下面这样串联，并且以中间连接点为接地参考，你就有了一个很好的正负电压双电源。
确保在电源上放置电容以稳定电源电压：

放大的是啥？

运放放大的既不是同相输入旗子暗记，也不是反相输入旗子暗记。
运放放大的是这两个输入旗子暗记的压差。

我们用 V+ 表示同相输入旗子暗记，用 V- 表示反相输入旗子暗记，用 AOL 表示运放的开环增益，用 Vout 表示输出旗子暗记。
则输出旗子暗记与输入旗子暗记的关系可用下面的方程式表示：

开环是指输入引脚和输出引脚之间没有任何连接，也便是输出旗子暗记不会反馈到输入旗子暗记上；反之，如果输出旗子暗记和输入旗子暗记之间有某种连接，比如通过电阻或电容，那么输出旗子暗记就会反馈到输入旗子暗记，便是闭环连接。

如果我们用 ΔVin 表示压差，即：

则上述方程式可进一步表达为：

空想运放的放大的倍数为无穷大。
一样平常运放的范例开环放大倍数在 10 万倍以上。

由于开环增益 AOL 非常大，我们以 10 万倍为例，假设正电源电压为 9 伏，负电源电压为 -9 伏。

如果 V+ 大于 V-, 比如这个差值 ΔVin 非常小，为 1 毫伏，也便是 0.001 伏，则 :

由于正电源电压为 9 伏，以是输出不可能到达 100 伏，最多为 9 伏。

如果 V+ 小于 V-, 差值也是 1 毫伏，带入方程打算输出电压：

同样由于负电源 -9 伏的限定，输出为 -9 伏。

我们从另一个角度想，对付一个开环增益为 10 万倍的运放来说，只要 V+ 比 V- 大 0.09 毫伏，就会导致运放输出饱和（Saturation）, 进而输出电压靠近正电源电压：

LM358 的范例开环增益可达 14 万倍：

总结一下上面可以有以下结论：

下图中， 5V < 3V， 因此运放的输出为 9 伏：

下图中， 3V < 5V，因此运放输出 -9 伏：

由于运放的开环的增益非常大，输入之间非常小的压差经由放大后都会是一个非常大的值，可以说运放是一个非常敏感的器件。

给运放的引脚输入一个非常精确的电压 2.500 伏。

如果同相引脚电压为 2.51 伏，输出将会是高电平：

如果同相引脚电压是 2.49 伏，输出将会是负电源电压

把骡子拉出来

我们在面包板上搭建一个运放比较器电路来验证上面的说法。

在运放的反相输入引脚，我们通过一个大略的电阻分压器输入一个 4.5 伏的参考电压。
在运放的同相输入引脚上，我们连接一个电位器，此引脚的输入范围为 0 伏 ~ 9 伏。

运放我们利用 LM358P。
下面是在面包板上搭好的电路：

按照之前的剖析，当同相输入引脚的电压小于 4.5 伏时，运放输出引脚该当输出负电源点压，也便是 -9 伏；

当同相输入引脚电压大于 4.5 伏时，运放输出引脚该当输出正电源电压，也便是 9 伏。

示波器探头 CH1 接反相输入引脚, 下图中黄色；示波器 CH2 接同相输入引脚，下图中青色；示波器 CH3 接运放输出引脚，紫色。
我们将三个通道的零电平位置都放到垂直中间位置。

我们逐渐调高同相输入引脚的电压，使之靠近 4. 5 伏：

图中反相输入引脚的实际电压 是 4.38 伏旁边。
可以看到同相输入引脚电压小于反相输入引脚电压时，运放输出为负电源电压，-9.1 伏；当同相输入引脚大于反相输入引脚电压时，运放输出正电源电压，7.67 伏，由于运放内部三级管有压降，以是比正电源电压低一些。

我们通过另一个例子来学习运放。

我们把运放的反相输入引脚接地，给运放的同相输入引脚输入一个峰峰值为 4 伏，频率为 100 赫兹的正弦波。
电路图如下：

波形截图如下：

可以看到，当同相引脚电压大于 0 伏时，输出高电平；当同相引脚的电压低于 0 伏时，输出低电平。

运放用作比较器时，输入与输出之间的关系可以用下面的图来表达：

当 Vin 大于 0 伏时，输出为 +Vsat；

当 Vin 小于 0 伏时，输出为 -Vsat。

如果输入旗子暗记从反相引脚输入，则输入与输出的关系可用下图表达：

参考电压不仅可以为零伏，也可以设置成其他的值，比如 1 伏：

上图中，CH3 为反相端参考电压。
CH1 为同相端输入旗子暗记，CH2 为输出引脚旗子暗记。
可见，当旗子暗记大于 1 伏时，输出正电源电压；当旗子暗记小于 1 伏时，输出负电源电压。

本日我们学习了运放的基本观点，知道了运放放大的是两个输入引脚之间的压差，并且运放的开环增益非常大。

我们通过两个详细电路学习了运放的比较器电路。