运算放大器谜题：答案揭晓

作者：Tim Green 德州仪器

现在是时候公布六道运算放大器谜题答案了，想必大家一直在期待吧。大家明白这些都是令人百思不得其解的谜题！请为您的正确答案打分，并在本博客的最后为您找到合适的排名位置！

图 1 仍然给出了一些可供参考的重要运算放大器规范。顺便提一下，就像大学和真实世界一样，并不是图 1 中提供的所有规范在解答谜题时都用得上！

参数		条件	OPA735	单位
	最小值	典型值	最大值
		Vs=±5V 除非另有说明
工作电压范围	VS		±1.35		±6	V
共模电压范围	VCM		(V-) -0.1		(V+) - 1.5	V
短路电流	ISC			±23.5		mA
电轨电压输出摆幅	VO	IOUT=+5ma（源极）		4.70		V
	VO	IOUT= +10ma（源极）		4.44		V
	VO	IOUT= +20ma（源极）		3.85		V
	VO	IOUT= -5ma（汲极）		-4.81		V
	VO	IOUT= -10ma（汲极）		-4.62		V
	VO	IOUT= -20ma（汲极）		-4.00		V
输入失调电压	VOS			1	5	uV
输入偏置电流	IB	VCM=VS/2		±100	±200	pA
输入失调电流	IB	VCM=VS/2		±200	±300	pA

图 1：OPA735 的主要运算放大器规范

谜题 1：Vout 是多少？

答案：Vin=1V、Vout=2.97V

就第一印象的理想值来说，我觉得 Vout = 3V。该拓扑是一个 V-I （电压至电流）转换器。它可为 Vin 生成 Iout，被称为改进型 Howland 电流泵。在 R5=R2 和 R4=R3 时,从 Vin 到 R1 电压的单端差分增益是 V_R1 = Vin *(R5/R4)，那么 Iout = V_R1/R1。在本例中，接下来 Iout = Vin/R1 或 Iout = Vin/100。因此 Vout = Iout * R_Load。

谜题 2：Vout 是多少？

答案：Vin =1V、Vout= -4V

这是一个桥接式负载 (BTL) 电路。R_load 负载上的电压增益为 U1 输出的两倍。这是因为 U1 的输出通过 U2 反相。

对于我们给定的电阻值，U1 的增益为 +2，U2 的增益为 -1，因此我们期望 Vout_U1 = 2V，Vout_U2 = -1*Vout_U1 = -2V。由于电表的极性关系，因此 R_load上的 Vout=-4V。

这是一个非常好的电路，可在单电源的整个浮动负载下获得正负电压。此外，它还可为您提供双倍的压摆率和双倍的负载电压。

谜题 3：Vout 是多少？

答案：23.5mA X 150 ohms = 3.52V = Vout

这里的闭环增益是 x4。Vin 等于 1 意味着能得到 4V 的 Vout。Iout = 4V/150 欧姆 =26.67mA。但从图 1 中的规范来看，电流限值为 +/-23.5mA，因此 23.5mA X 150 ohms = 3.52V = Vout。

我们仍在尝试设计没有输出电流限值的虚拟运算放大器！

谜题 4：Vout 是多少？

答案：小于 Vout=4V–100mV 的任何值

这是一个单位增益缓冲器放大器电路，因此闭环增益为 1。那为什么不是 Vout = 4V？

请查看图 1，其中共模电压范围为 (V+)-1.5V。因此在 Vcc = +5V 时，我的输入正向共模电压范围最高只能是 +3.5V。您应该特别注意单位增益缓冲器电路中的输入共模电压范围。

实际 IC 可能并不像仿真宏模型那样，钳定在输入共模电压范围内。真正的部件在违反共模参数时的表现也不像处于共模电压范围内那样精确。因此，任何小于 4V–100mV 的答案我都认为是正确的！！

谜题 5：Vout 是多少？

答案：不确定

为什么不是 Vout = 10mV *100 = 1V？到底是怎么回事？前端仪表放大器 U1 和 U2 的差分增益为 100，而输出差分放大器 U3 排斥共模，只放大乘以 1 的 U1 和 U2 输出差分电压。

尊敬的读者朋友们，输入热电偶可作为在整个 Vin 中差分连接的电池建模，其可随输入运算放大器 U1 和 U2 供电电源的接地参考浮动。这就意味着 U1 和 U2 的输入端不存在 DC 偏置电流路径。因此，这些运算放大器输入是浮动的。

如果构建和测试该电路，您可能会得到任意 Vout 电压值。很有可能是接近 Vcc 或 Vee 的 U3 饱和输出值。因此，我将正确答案设定为不确定或者不包括 1V 的任意值！

谜题 6：Vout 是多少？

答案：Vout=3.85V

这里的闭环增益为 4。V_in 等于 1 意味着 1 应该得到 4V 的 Vout。但在图 1 中的规范中，Iout=20mA 时，电轨的电压输出摆幅为 Vout=3.85V。

在本电路中，限制因素不是电流限值，而是电轨摆幅与输出电流的对比。因此，您需要查看“电轨输出电压摆幅与输出电流的对比”产品说明书曲线，以在更大电流下获得较大的信号摆幅限制。

我把产品说产品明书图中的规范添加到了图 1 中，以便您在解答谜题 6 时无需再去查找。

排名：

正确答案	授予头衔
1	软件工程师或博士
2	数字工程师或固件工程师
3	电气工程大学实习生或电气工程硕士
4	电气工程学士新毕业
5	实际模拟电路板／系统设计工程师
6	TI 荣誉模拟应用工程师

感谢您在工作闲暇之余解答这些运算放大器谜题。或许明年我会继续出一些运算放大器谜题，好好介绍一下使用运算放大器时需要注意的预防措施，希望您到时再次参与。

原文请参见: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisiondesignshub/archive/2014/02/04/answers-a-plethora-of-puzzling-op-amp-problems.aspx

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审核编辑：符乾江