上一篇文章對放大電路做了簡單的介紹,相信大家對"放大"這個概念已經有了一定的瞭解,下面我們來看一下運算放大器
1. 運算放大器及其信號放大
集成運算放大器是一種應用極爲廣泛的模擬器件。用集成運算放大器可以
非常方便地實現信號的放大、運算、變換等各種處理。
常見的運放電路符號有矩形和三角形兩種
電路符號
這裏我們採用三角形符號
端口意義
運算放大器正常工作時，必須提供工作電源，通常正負電源的連接方式爲:
實際運放外部引腳實例
來看一下實際的電子元器件:
運算放大器的電路模型
這裏同樣可以用端口等效模型來表述運算放大器
運算放大器的傳輸特性
運放的增益越高，線性區的直線越陡，輸入電壓的線性範圍越小
由於輸入電阻很大，輸出電阻很小，所以經常將這三個參數理想化:
即增益和輸入電阻趨於無窮大，輸出電阻趨於零，從而得到運放的理想模型:
相應的,電壓傳輸特性線性區的斜線也會近似爲垂線:
因爲輸出電壓爲有限值,而增益趨於無窮大,所以在線性工作區兩個輸入端電壓差趨於零,也就是同相端電壓約等於反相端電壓,常稱爲"虛短"
另一方面,由於輸入電阻趨於無窮大,所以兩輸入端的電流也約等於零,常稱爲"虛斷"
講了這麼多,那怎麼用運算放大器放大信號呢?
像這樣直接將信號加在運放的兩輸入端之間,理論上是可以放大信號的,前提是Vi足夠小,保證運放工作在線性區
但實際上,這個要求很難滿足,換句話說,信號通常會導致運放進入飽和區,無法實現信號的線性放大,當輸入正弦波時,輸出會明顯失真
實際應用時,線性放大時都需要引入負反饋。所謂反饋,是將輸出電量送回到輸入的過程:
負反饋將減小原來加到放大器輸入端的信號,這樣容易滿足線性區的工作要求:
電壓增益:
輸入電阻約等於無窮大:
在輸出端口,儘管還有其他並聯支路,但是因爲理想運放的輸出電阻約爲0,所以輸出電阻約等於0:
2. 運算放大器的基本線性應用
電壓跟隨器
當直接將運放的輸出端與反相端連接,就構成了一種特殊而常用的電路:
電路的電壓增益爲1,輸出信號與輸入信號是同相的,並且輸入電阻無窮大
實際上,他是同相放大電路的一種形式
電壓跟隨器可以消除負載對電壓信號源的影響,這種作用常稱爲"隔離"或"緩衝"
電壓跟隨器對電壓增益的貢獻:
反相放大電路
如果將同相放大器的信號輸入端與接地端互換,那麼電路就變成了反相放大電路:
增益爲負號意味着相位與輸入電壓的相位是相反的
如果R1與R2相同,那麼電路就是純粹的反相器
可以做一下對比:
另外,電阻的取值也很重要,比如要放大100倍:
這時的R2電阻偏大了
改進方法是將R2支路,改爲三個電阻的星型結構:
利用虛短和虛斷,列出反相端和M點的電流方程,很容易就能推出電路的增益:
這時所有電阻取值都不超過1兆歐
求和電路
在反相放大電路的基礎上構成加法電路:
求差電路
積分電路
在反相放大電路的基礎上,將電阻R2換成電容C,便構成了積分電路:
負號表示相位相反,下面是相應曲線:
需要注意的是,輸出電壓並不能一直隨着時間持續增加,因爲運放的輸出電壓增大到一定程度後會進入飽和區
在實際中,這種積分電路常常不能正常工作,因爲運放輸入端的偏置電流會對電容有一個直流的充電,儘管這個電流很小,但隨着時間的推移,最終都會導致運放進入飽和狀態。
所以實際的積分電路,通常會在電容旁並聯一個大電阻,避免運放工作進入飽和區:
微分電路
如果將積分電路的電容和電阻的位置互換,電路就構成了微分電路:
