运放电路:练习题及分步解答

免费的运放电路练习题,附图示、提示和完整详细解答。每次数值都不同,分三个难度:反相放大器, 同相放大器, 加法放大器。

免费练习题简单
−+Vout​Rf​ = 100 kΩVin​ = −1.6 VR1​ = 10 kΩ

该电路是一个反相放大器。 运放为理想运放,采用 ±15 V 电源;其输出饱和电压为 ±12 V。 求输出电压 Vout。

Vin = −1.6 VR1 = 10 kΩRf = 100 kΩVsat = ±12 V
V
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练习内容

  1. 简单反相放大器
  2. 中等同相放大器
  3. 困难加法放大器

关键公式

反相放大器
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
同相放大器
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
加法放大器
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
理想运放
V+ = V−, Iin = 0

从零开始学习运放电路

学习本课之前: 节点分析

1什么是运算放大器

运算放大器(运放)是放大电压的小芯片。用于音频设备、传感器和滤波器。

−+V−​V+​Vout​

它有两个输入端,标为 −(反相)和 +(同相),以及一个输出端。它把两个输入之间的微小差值放大极大的倍数,常常是 100 000 倍或更多。

单独使用时,这个增益太大,无法使用。所以你把电阻从输出端接回 − 输入端。这称为负反馈,这时由电阻决定增益。

输出永远不会超出电源电压,例如 ±15 V。

自测 带负反馈的运放电路的增益由什么决定?
  1. 电源电压
  2. 输入电压
  3. 运放周围的电阻
  4. 运放自身的内部增益

答案: 运放周围的电阻. 有负反馈时,巨大的内部增益在结果中被消去。只有电阻值决定增益。

2理想运放的两条规则

有负反馈时,几乎所有运放电路都可以用两条简单规则来分析:

  • 规则 1:两个输入端电压相同,V− = V+。输出会自我调整,直到这一点成立。
  • 规则 2:没有电流流入任何一个输入端。

如果 + 输入端接地,规则 1 表明 − 输入端也是 0 V。它并没有接到地上,却处于 0 V。这称为虚地。

规则 2 意味着到达 − 输入端的电流不能进入运放。它必须继续流过反馈电阻 Rf。

自测 在一个有反馈的电路中,+ 输入端接地。− 输入端的电压是多少?
  1. +15 V
  2. 0 V
  3. 输入电压
  4. 输出电压

答案: 0 V. 规则 1:V− = V+ = 0 V。− 输入端是虚地。

3反相放大器与同相放大器

反相放大器把信号经 R1 送入 − 输入端。+ 输入端接地。

−+Vout​Rf​Vin​R1​
Vout = −(Rf / R1)·Vin

负号表示输出是倒过来的:正的输入给出负的输出。

同相放大器把信号直接送入 + 输入端。R1 从 − 输入端接地。

−+Vout​Rf​R1​Vin​
Vout = (1 + Rf / R1)·Vin

它的增益总是至少为 1,并且输出与输入同号。

自测 一个同相放大器的 R1 = 1 kΩ,Rf = 9 kΩ,Vin = 0.5 V。Vout 是多少?
  1. 0.5 V
  2. 4.5 V
  3. 5 V
  4. −4.5 V

答案: 5 V. 增益 = 1 + 9/1 = 10,所以 Vout = 10·0.5 = 5 V。4.5 V 是忘了“1 +”,−4.5 V 是用了反相公式。

4分步方法

你可以用这些公式,但知道它们从何而来更保险。这个方法适用于本主题中的每个电路:

  1. 求 V+。接地:0 V。接输入:Vin。
  2. 用规则 1:V− = V+。
  3. 用欧姆定律,由两端的电压求流过 R1 的电流。
  4. 用规则 2:同样的电流流过 Rf。
  5. 从 − 输入端经 Rf 走到输出端:Vout = V− − I·Rf,其中 I 流向输出端。

电压用 V、电阻用 kΩ 时,电流的结果单位是 mA。这样数字较小。

5例题讲解

跟着每一步走。打开下一步之前,先试着预测它。

例题讲解

一个理想运放的反相放大器,R1 = 2 kΩ,Rf = 10 kΩ,Vin = 0.5 V。求电流 I1 和输出电压 Vout。

1

观察电路

−+Vout​Rf​ = 10 kΩ0.5 VR1​ = 2 kΩI1​I1​0 V

+ 输入端接地,所以这是反相放大器。

2

虚地

V+ = 0 V,反馈迫使 V− = V+。

V− = 0 V
3

流过 R₁ 的电流

I1 = (Vin − V−) / R1 = (0.5 − 0) / 2 = 0.25 mA
4

输出电压

没有电流进入运放,所以这 0.25 mA 继续流过 Rf 流向输出端。

Vout = 0 − 0.25·10 = −2.5 V
5

检验答案

用公式:Vout = −(10/2)·0.5 = −2.5 V。增益为 −5,−2.5 V 完全在 ±15 V 的电源范围内。

答案

I1 = 0.25 mA,Vout = −2.5 V。

6常见错误

  • 忘了反相放大器的负号。
  • 同相增益使用 Rf/R1。它应该是 1 + Rf/R1。
  • 搞混信号接入哪个输入端。看图:信号经 R1 进入 − 端就是反相。
  • 在加法放大器中只用一个输入。所有输入的电流在 Rf 中相加。
自测 一个反相放大器的 R1 = 1 kΩ,Rf = 4.7 kΩ,Vin = −0.2 V。Vout 是多少?
  1. 0.94 V
  2. 1.14 V
  3. −0.94 V
  4. −1.14 V

答案: 0.94 V. Vout = −(4.7/1)·(−0.2) = +0.94 V:两个负号得正。−0.94 V 是丢掉了一个符号,±1.14 V 是用了同相增益 5.7。

7考试题是什么样的

  • 简单:反相放大器。求 Vout 或流过 R1 的电流 I1。输入可以为负。
  • 中等:同相放大器。求 Vout,或为给定增益选取 Rf:Rf = (增益 − 1)·R1。
  • 困难:有两个输入的加法放大器,每个输入经各自的电阻接入 − 输入端。

在加法放大器中,− 输入端是虚地,所以每个输入各自向该节点送入电流 V/R。这些电流相加,全部流过 Rf:

If = V1/R1 + V2/R2 Vout = −Rf·If

在应用中一步一步地学在应用中一步一步地学

例题详解

例题 1简单
−+Vout​Rf​ = 47 kΩVin​ = 1.5 VR1​ = 10 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 1.5 VR1 = 10 kΩRf = 47 kΩ

求: Vout (V)

显示提示
  1. + 输入端接地,所以 − 输入端为虚地:V₋ = 0。
  2. 没有电流流入运放,所以流过 R₁ 的电流继续流过 Rf。
  3. I1 = 0.15 mA.
显示答案和分步解答

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

虚地

V₊ = 0,反馈使 V₋ = V₊。

V₋ = V₊ = 0 V
I1 = (Vin − 0)/R1 = 1.5/10 = 0.15 mA

输出电压

同一电流从 − 输入端经 Rf 流向输出端。

Vout = 0 − I1·Rf = −0.15·47 = −7.05 V
(增益 = −Rf/R1 = −4.7)

答案

Vout = −7.05 V
例题 2中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 1 kΩVin​

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源;其输出饱和电压为 ±12 V。 同相放大器由正弦波驱动。求输出不削波时的最大输入幅值 Vin,max(峰值)。

R1 = 1 kΩRf = 47 kΩVsat = ±12 V

求: Vin,max (V)

显示提示
  1. 同相放大器的增益为 1 + Rf/R₁。
  2. 输出峰值 |增益|·Vin 必须保持在 Vsat 以下。
  3. |Av| = 48.
显示答案和分步解答

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

增益

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 47/1 = 48

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/48 = 0.25 V

答案

Vin,max = 0.25 V
例题 3困难
−+Vout​C = 4.7 µFVin​ = −2.6 VR = 22 kΩ

积分器使用采用 ±15 V 电源的理想运放;其输出饱和电压为 ±12 V。在 t = 0 施加恒定输入 Vin = −2.6 V 时,电容未充电。 t = 0 之后多长时间输出达到饱和?求 t。

Vin = −2.6 VR = 22 kΩC = 4.7 µFVsat = ±12 V

求: t (ms)

显示提示
  1. − 输入端是虚地,所以恒定电流 Vin/R 流过 R 并继续流入电容。
  2. 恒定电流使电容线性充电:Vout(t) = −Vin·t/(RC)。
  3. RC = 103.4 ms.
显示答案和分步解答

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

输入电流和斜坡速率

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

RC = 22 kΩ · 4.7 µF = 103.4 ms
斜坡速率 = −Vin/(RC) = −(−2.6)/103.4 = 0.02515 V/ms

达到饱和的时间

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·103.4/2.6 = 477.2 ms

答案

t = 477.2 ms

问与答

什么是运放电路?

它有两个输入端,标为 −(反相)和 +(同相),以及一个输出端。它把两个输入之间的微小差值放大极大的倍数,常常是 100 000 倍或更多。

单独使用时,这个增益太大,无法使用。所以你把电阻从输出端接回 − 输入端。这称为负反馈,这时由电阻决定增益。

运放电路题目如何一步步求解?

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

运放电路有哪些常见错误?
  • 这是同相放大器的增益。这是一个反相放大器:Vout = −(Rf/R₁)·Vin。
  • 输出等于输入乘以增益,所以输入的限值是 Vsat 除以增益。
  • 这里答案不是一个时间常数 RC:输出以每毫秒 Vin/(RC) 伏的速率线性变化,直到达到 Vsat。
运放电路练习包括哪些内容?
  • 简单: 反相放大器
  • 中等: 同相放大器
  • 困难: 加法放大器

每道题的数值都不同,让你掌握方法,而不是记住答案。 卡住了?先打开一个小提示,需要时再查看完整解析。

练习方式

  • 每道题的数值都不同,让你掌握方法,而不是记住答案。
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