运放内部结构简单介绍及其供电设计

注意，此处我们采用的是Multisim软件仿真 ，链接中有详细安装教程。

注意：仿真只是数学运算，实际情况的话，就不是数学运算那么简单，有很多复杂的因数在里面。所以具体情况要参照实际电路搭建。比如说，之前我们搭建蔡氏电路的时候，明明1700欧左右就能产生双周期的波形，但是按照仿真搭建的电路，具体确实1430欧左右才产生双周期的波形。这是需要注意的!!!

运放内部结构简单介绍，及其供电

内部结构

V+V-供电

我们先看V+和V-，这个地方就是运放芯片的供电电源。V+很好理解，就是一节电池正极接V+，负极接地。V-就是电源的正极利用一根杜邦线丢到地上，负极接V-，负压就产生了。

在Multisim中运放的寻找位置(因为LM358P内部是存在两个运放的，所以弹出的哪个选项点击A还是B都可以)。

在Multisim中直流电源位置。

这里我们需要注意一个点，输入电压范围是不一定要求正负对称的。如果V+为6V，那么V-不是必须是-6V。我尝试在Multisim中尝试V+12V，V-为-6V，发现可以正常运行。询问老师之后得知，正负端电压不对称只会影响输出信号的最大动态范围，只要输出信号在最大动态范围内，电源不对称对输出没有影响。

VpVn输出电压

然后我们需要知道，运放内部你可以理解为有一个电压受控源，它由(Vp-Vn)控制，实际的输出电压为Avo(Vp-Vn)。Avo是电压增益量，它的值一般都非常大。我们通过控制Vp和Vn的差值，来控制输出电压。但是由于Avo的值一般都非常大，那么我们需要输出一个几V的电压的时候，(Vp-Vn)的值就会非常非常的小，所以我们一般都会设置一个负反馈的系统(这个放在后面讲)。有了负反馈系统之后，我们就可以设置放大的倍数了。

ri虚断虚短

运放内部的电阻ri是非常大的，而我们的(Vp-Vn)的值又非常非常的小。那么此时流经ri的电流将会非常小，我们可以看作没有。而我们知道，电路处于断路状态就是没有电流的，那么现在运放的这个状态我们称之为虚断。

如下为一个同向放大电路，我们测量输入端两侧的电流可以知道流经输入端的电流仅仅只有-19.496nA(1nA=10^-9A)。所以我们可以认为此时处于虚断。

我们上面说了，因为Avo的值一般都非常大，那么(Vp-Vn)的值我们可以看成是为0。我们可以知道，当一个电阻被短路了，那么这个电阻两端电压相同。而现在(Vp-Vn)值约为0的这种状态，我们称之为虚短。

如下为一个同向放大电路，我们测量输入端两侧的电压可以知道，两者压差为323.073uV(1V=1000mV，而1mV=1000uV)。这个值毫无疑问是非常非常小的，几乎可以忽略不记，所以我们可以认为此时处于虚短。

在我们这里需要选择V，——，表示测量直流电压。

注意：⑴我们这里的电源和上面供电的哪个地方电源好像不一样啊?的确有些许不一样，但都是电源。为了让电路美观，我们才这么画。

⑵我们需要注意的是，虚断是一直存在的，虚短并不是。后面线性区讲。

ro内阻

ro称之为输出电阻，他的阻值非常非常的小，一般直接忽略，与导线等价即可。

总结：

⑴V+接正电压，V-接负压。

⑵V+V-不需要正负对称。

⑶运放的放大可以理解为一个由(Vp-Vn)控制的电压受控源。

⑷虚断一直有，虚短不一定。

运放电压传输特性及其输出电流介绍

运放的三个区域

首先我们需要知道运放是有三个区域的，分别是负饱和区，线性区，正饱和区。

正负饱和区

首先我们介绍正负饱和区，我们需要知道，运放电路的放大作用是有极限的，而这个极限就是饱和区。那么我们如何知道这个饱和的电压大概是在什么范围呢?一般来说，这个饱和电压由V+和V-决定。我们的这个放大电压是不可能超过V+的电压，低于V-的电压。所以说，这个饱和电压就是V+和V-的值吗?不是的，运放电路中是存在饱和压降∆V，那么我们的放大电路的范围就应该是(V-+∆V,V+-∆V)，而把V-+∆V,V+-∆V用Vom来表示，放大电压范围就是(-Vom，+Vom)。

首先我提前告知，这个电路为一个同向放大3倍的同向放大电路，此电路的饱和区在10.495V。我们正向输入端一开始为3.3V，3.3V*3=9.9V，而9.9V小于10.495V，是可行的。

但是如果我们输入端电压为5V呢?会不会是5V*3=15V呢 ?显然不会，因为饱和区的存在，此时的电压应该是10.495V。这个时候就说明放大电路处于饱和状态了。

输出端负载阻值影响

而我们的放大电压范围仅受V+V-的影响吗?不是的，一般来说，运放的输出端最大电流为±20mA。如果负载RL阻值过小会导致|V0|的最大值变小。例如，RL为200欧，|V0|的变化范围只有20mA*200欧=0.02A*200欧=4V。所以我们RL一般要选择大一点的值，但又不能过大。

如下，我们正常接入3.3V电压，而R1R2从5K欧10K欧，变成5欧10欧。这个时候，我们就会发现，输出端的电压就不是9.9V了，而是608.929mV，很明显不可能是误差导致的。所以我们可以得出结论外界电阻不能过小。

如下，我们正常接入3.3V电压，而R1R2从5K欧10K欧，变成5M欧10M欧。可以看到，输出电压值为9.7，距离9.9V有0.2V的偏差，很明显这个偏差还是非常大的。所以阻值也不能选择过大。

我们需要知道，放大电路其实是一种弱电系统，具有高灵敏度，容易受到环境和内部噪声的干扰。而当实际电路中电阻过大，会增加其热噪声，容易引入干扰。所以我们外界的电阻尽量以千欧作为单位最佳。

线性区

但是我们使用放大电路的时候，需要避免接触到饱和区，我们所使用的范围就是线性区。线性区的范围，也就是我们上面所说的最大动态范围。这里的放大公式为Avo(Vp-Vn)，靠经V+端的是Vp，靠近V-端的是Vn。(看上图2.1.3)

上面说了虚断一直有，虚短不一定。为什么呢?因为虚断主要是因为运放内阻非常大所导致的，所以说，它会一直存在。

以下分别是运放工作在线性区和饱和区的电流值，虽然值不同，但是很明显。两者测量出来的值的是十分小的，都可以忽略不计。故虚断在线性区和饱和区都会存在。

而虚短不一样，它依赖于电压增益Avo非常非常的大，但是我们需要注意的一个地方就是，当输出电压已经处于饱和状态的时候，Avo的值并不是无穷大的。这样就做不到虚短的效果。

举个例子，假设当前运放电路为饱和电压12V，Vp为6V，Avo为4，那么Vn就是6-(12/4)=3V。但是我们换一个假设，此时运放电路的输出电压10V，Vp为6V，Avo为10000，那么Vn就是6-(10/10000)=5.9999V，此时Vp和Vn几乎相等。就是虚短。

以下分别是运放工作在线性区和饱和区的电压值。我们可以看到，线性区的电压依旧是非常小的，可以忽略不记。但是饱和区这个时候的电压我们看到了有将近1.5V的电压，这个肯定就做不到忽略不计了。

所以说，虚短线性区才有，饱和区没有。

总结：

⑴运放有负饱和区，线性区，正饱和区。

⑵饱和区的值受V+V-，以及输出端RL影响。

⑶我们使用运放进行放大的时候，是使用的线性区，注意不要因为饱和区导致无法进行电压放大。⑷虚断一直有，虚短只有在线性区才存在。

反馈介绍

我们将输出信号V0再返回输入端的过程称为反馈。一般来说，只要是输入端和输出端有联系就称之为反馈，而输入端和输出端没有联系就一定没有返回。

为什么说一般有联系就称之为反馈呢?先看上图，我们可以知道输出电压u0经过R1R2的分压，流回电压信号到了反向端。但是看下图，因为仅仅只有一个R存在，所以运放的正向输入端电压永远为0V，运放的输出信号没有反馈到运放的输入端。那么我们可以得出结论，上面是存在反馈电路的，下面没有反馈电路。

正负反馈的简单介绍

正负反馈我们可以简单的理解，当输出信号接到反向输入端就是负反馈，接到正向输入端就是正反馈。但是我们需要知道，这对单级放大电路来说是对的，对多级放大电路不一定。那么我们怎么知道一个比较绝对的判断方法呢?就是使运放Vp-Vn减小是叫做负反馈，那么让Vp-Vn增大的是不是就叫做正反馈。因此，我们也就可以知道了何时采用正反馈，何时采用负反馈了。

注意：本文仅简单介绍负反馈，之后我会专门写一篇关于反馈的博客。

我们之前说了在电压放大时候，放大增益Avo是非常大的。这样我们就需要Vp和Vn值非常接近，差值可能只有几微伏到几十微伏，这样给实际电路操作时候增加了很大的难度。于是就我们就要减少Vp-Vn，采用负反馈。

负反馈系统如下