理想运放传递函数的求解
理想运放传递函数的求解
- 1、传递函数
- 2、理想运放的两种模型
- ①时域模型
- ②S域(复频域)模型
- 3、带有负反馈的两种模型
- ①带有负反馈的时域模型
- ②带有负反馈的S域模型
- 4、传递函数的求解
- 5、注意
1、传递函数
传递函数是指线性系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。记作:
G(s)=Y(s)X(s)G(s) = \frac{Y(s)}{X(s)}G(s)=X(s)Y(s)
Y(s) 为输出量的拉氏变换,X(s)为输入量的拉氏变换;
2、理想运放的两种模型
①时域模型
Vout(t) = A × [ V+(t) - V-(t) ] ;
A 为运放的开环增益, 理想状态下:A → +∞;
②S域(复频域)模型
Vout(s) = G × { V+(s) + [ -V-(s) ] } ; 同理,G→+∞ ;
3、带有负反馈的两种模型
这里以最简单的形式来说明:只有单端(同相输入端)输入,单端输出,一条纯阻态反馈回路。
①带有负反馈的时域模型
由上图知,列式如下:
A × [V+(t) - F × Vout(t)] = Vout(t);
解得:Vout(t)V+(t)=A1+AF\frac{V_{out}(t)}{V_{+}(t)} =\frac{A}{1+AF}V+(t)Vout(t)=1+AFA
即:Vout(t)V+(t)=11A+F\frac{V_{out}(t)}{V_{+}(t)} =\frac{1}{\frac{1}{A}+F}V+(t)Vout(t)=A1+F1
理想状态下,A → +∞,也就是说,1A\frac{1}{A}A1→0:
A(t)=Vout(t)V+(t)∣A→+∞=1FA_{(t)}=\frac{V_{out}(t)}{V_{+}(t)}\vert_ {A → +∞}= \frac{1}{F}A(t)=V+(t)Vout(t)∣A→+∞=F1
由此公式得到深度负反馈的实质:表明放大倍数几乎决定于反馈网络,与其他条件无关。
②带有负反馈的S域模型
列式如下:
G × { V+(s) + [- F × Vout(s)] } = Vout(s) ;
解得:Vout(s)V+(s)=G1+GF\frac{V_{out}(s)}{V_{+}(s)}= \frac{G}{1+GF}V+(s)Vout(s)=1+GFG
即:G(s)=Vout(s)V+(s)=11G+FG(s)=\frac{V_{out}(s)}{V_{+}(s)}= \frac{1}{\frac{1}{G}+F}G(s)=V+(s)Vout(s)=G1+F1
G → +∞:G(s)=Vout(s)V+(s)=11G+F∣G→+∞=1FG(s) = \frac{V_{out}(s)}{V_{+}(s)}= \frac{1}{\frac{1}{G}+F}\vert_{G→+∞} = \frac{1}{F}G(s)=V+(s)Vout(s)=G1+F1∣G→+∞=F1
4、传递函数的求解
由上面推出的G(s)知,反馈量为R2上分得的电压,列式得:
G×V+(s)+G×[−Vout(s)×R2R1+R2]=Vout(s)G × V_+(s) + G × [- V_{out}(s) ×\frac{R_2}{R_1 + R_2} ] = V_{out}(s)G×V+(s)+G×[−Vout(s)×R1+R2R2]=Vout(s)
即传递函数为:G(s)=Vout(s)V+(s)=1+R1R2G(s) = \frac{V_{out}(s)}{V_{+}(s)} = 1+\frac{R_1}{R_2}G(s)=V+(s)Vout(s)=1+R2R1
如若反馈回路中有其他容性或者感性元件,分析方法与上述类似。.
5、注意
上面G(s)=Vout(s)V+(s)G(s) = \frac{V_{out}(s)}{V_{+}(s)} G(s)=V+(s)Vout(s)
可变形为:Vout(s)=V+(s)×G(s)V_{out}(s) = V_+(s) × G(s)Vout(s)=V+(s)×G(s)
即:Vout(s)=V+(s)×(1+R1R2)V_{out}(s) = V_+(s) × (1 + \frac{R_1}{R_2})Vout(s)=V+(s)×(1+R2R1)
G(s)为常数,取等式两边拉普拉斯逆变换,得到时域方程:
Vout(t)=V+(t)×(1+R1R2)V_{out}(t) = V_+(t) × (1 + \frac{R_1}{R_2})Vout(t)=V+(t)×(1+R2R1)
这里就比较容易混淆了,按照下图所示:
时域中:
Vout(t)=V+(t)∗H(t)⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅H(t)为系统的冲激响应V_{out}(t) = V_+(t) * H(t) ······· H(t)为系统的冲激响应Vout(t)=V+(t)∗H(t)⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅H(t)为系统的冲激响应
频域中:
Vout(s)=V+(s)×G(s)⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅G(s)为传递函数V_{out}(s) = V_+(s) × G(s) ···············G(s)为传递函数 Vout(s)=V+(s)×G(s)⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅G(s)为传递函数
又:
Vout(t)=V+(t)×(1+R1R2)V_{out}(t) = V_+(t) × ( 1 + \frac{R_1}{R_2} )Vout(t)=V+(t)×(1+R2R1)
所以很多人,就把1+R1R21+\frac{R_1}{R_2}1+R2R1与H(t)弄混淆,当成同一个东西。其实也可以想一想,输入信号V+(t)V_+(t)V+(t)与1+R1R21+\frac{R_1}{R_2}1+R2R1相乘,V+(t)V_+(t)V+(t)与H(t)相卷积,前后二者得到的结果并不一样,这样就可以分辨清楚了。
其实:H(t)=[1+R1R2]δ(t)H(t) = [ 1+\frac{R_1}{R_2} ] \delta(t)H(t)=[1+R2R1]δ(t)
我们可以推算一遍:Vout(t)=V+(t)∗H(t)V_{out}(t) = V_+(t) * H(t) Vout(t)=V+(t)∗H(t)则:
Vout(t)=∫+∞−∞V+(τ)×H(t−τ)dτV_{out}(t) =\int_{+∞}^{-\infty} V_+(\tau) × H(t - \tau) d\tauVout(t)=∫+∞−∞V+(τ)×H(t−τ)dτ
Vout(t)=∫+∞−∞V+(τ)×[1+R1R2]δ(t−τ)dτV_{out}(t) =\int_{+∞}^{-\infty} V_+(\tau) × [ 1+\frac{R_1}{R_2} ] \delta(t-\tau) d\tauVout(t)=∫+∞−∞V+(τ)×[1+R2R1]δ(t−τ)dτ
Vout(t)=(1+R1R2)∫+∞−∞V+(τ)×δ(t−τ)dτV_{out}(t) =(1+\frac{R_1}{R_2} )\int_{+∞}^{-\infty} V_+(\tau) × \delta(t-\tau) d\tauVout(t)=(1+R2R1)∫+∞−∞V+(τ)×δ(t−τ)dτ
由冲激函数的性质得到
∫+∞−∞V+(τ)×δ(t−τ)dτ=V+(t)\int_{+∞}^{-\infty} V_+(\tau) × \delta(t-\tau) d\tau = V_+(t)∫+∞−∞V+(τ)×δ(t−τ)dτ=V+(t)
因此:
Vout(t)=V+(t)×(1+R1R2)V_{out}(t) = V_+(t) × (1 + \frac{R_1}{R_2} )Vout(t)=V+(t)×(1+R2R1)
如果有什么疑问,可以在下方提出,欢迎各位大佬批评指正!!
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