运算放大器基础知识工作和应用(yòng)

2021-10-18

运算放大器基础知识工作和应用(yòng)

运算放大器也称為(wèi)运算放大器，是最有(yǒu)用(yòng)的模拟電(diàn)路元件之一。它有(yǒu)许多(duō)用(yòng)途，例如放大器、缓冲器、反相器、积分(fēn)器、微分(fēn)器、振荡器、比较器等。由于它用(yòng)途广泛，因此可(kě)用(yòng)于各种应用(yòng)。因此，了解运算放大器及其工作原理(lǐ)对于電(diàn)子工程师来说非常重要。

这篇文(wén)章将解释

什么是运算放大器

运算放大器的特性

运算放大器的工作

运算放大器的工作模式

运算放大器的应用(yòng)

什么是运算放大器

运算放大器是一种集成電(diàn)路（IC），用(yòng)于放大模拟電(diàn)路中的微弱信号。单个运算放大器单元有(yǒu)两个输入和一个输出引脚。其中一个输入称為(wèi)非反相或正输入，而另一个输入称為(wèi)反相或负输入。简而言之，运算放大器可(kě)以被描述為(wèi)一个组件，它输出施加在其正负输入端的信号之间的電(diàn)压差的放大版本。

运算放大器的重要特性

这些是运算放大器最重要的特性。

高输入阻抗——这使运算放大器能(néng)够在其输入引脚中吸收低電(diàn)流，使其适合用(yòng)作放大器。

低输出阻抗——这使运算放大器能(néng)够為(wèi)其输出引脚提供最大電(diàn)流以驱动高功率负载。这又(yòu)是放大器的必要品质。

高增益——运算放大器具有(yǒu)高增益，这意味着它能(néng)够将微弱的低压输入信号有(yǒu)效地放大為(wèi)高压输出信号。

高频响应– 运算放大器用(yòng)途广泛，可(kě)在宽范围的输入信号频率下运行。

运算放大器的工作

有(yǒu)几件事是理(lǐ)解运算放大器及其操作的基础。图 0 中的電(diàn)路显示了运算放大器的符号 U1，以及运算放大器内部的简化示意图。运算放大器具有(yǒu)正负電(diàn)源连接。这从電(diàn)源提供電(diàn)源以操作该设备。

可(kě)根据应用(yòng)使用(yòng)单電(diàn)源或分(fēn)體(tǐ)電(diàn)源。运放有(yǒu)三个信号端，一个正信号输入，一个负信号输入，一个运放信号输出。运算放大器由差分(fēn)输入级（Q1、Q2）、電(diàn)平转换器级 Q3 和输出级（Q4、Q5）组成，如图 0 所示。

当正電(diàn)压施加到 Q1 基极的 + 输入和 - 输入接地时，Q3 将被激活。这允许電(diàn)流从 Q3 的发射极流向集電(diàn)极端。因此，将在 R3 和 R4 上产生正電(diàn)压。该電(diàn)压激活 Q4，输出将呈现 +V 電(diàn)压電(diàn)平。

另一方面，当正電(diàn)压施加到 – 输入和 + 输入接地时。Q3 不会被激活，因此 Q4 将处于关闭状态，但是 Q5 将导通，因為(wèi)它是一个 PNP 晶體(tǐ)管，其基极的低逻辑会激活它们。现在输出引脚将呈现低電(diàn)平状态，Q5 提供通过其发射极到集電(diàn)极端子的電(diàn)流吸收路径。

运算放大器的工作模式

运算放大器以两种模式运行。它们是开环和闭环操作。

开环操作：这是运算放大器输出端的输出信号不会反馈到其输入端的操作模式。当没有(yǒu)反馈时，运算放大器充当比较器（稍后解释）。

闭环操作：这是运放输出端的输出信号反馈到运放输入端的操作模式。

我们可(kě)以通过两种方式配置运算放大器的闭环操作。它们是正反馈和负反馈。

正面反馈

当正输入有(yǒu)反馈时，这称為(wèi)正反馈，用(yòng)于振荡器電(diàn)路，或用(yòng)于比较器電(diàn)路的滞后。由于运算放大器的内部增益很(hěn)高，当正输入更正，大于负输入时，输出将完全為(wèi)正。当正输入小(xiǎo)于负输入时，输出将完全為(wèi)负。

负面反馈

当从输出到负输入有(yǒu)反馈时，这称為(wèi)负反馈，通常用(yòng)于放大器应用(yòng)。要记住的最重要的事情是使用(yòng)负反馈时，运算放大器会强制正负端的输入電(diàn)压相等。

如何在電(diàn)路中使用(yòng)运算放大器

运算放大器的应用(yòng)范围从滤波器、整流器、放大器、信号发生器、调制器電(diàn)路等等。下面列出的应用(yòng)程序将帮助您了解如何以您想要的方式在電(diàn)路中使用(yòng)运算放大器。

1.缓冲

第一个是缓冲區(qū)，这是所有(yǒu)用(yòng)途中最简单的。缓冲器用(yòng)于将一系列放大器電(diàn)路连接在一起，而不必担心阻抗。它本质上是放大输入信号的電(diàn)流或功率。由于运算放大器的输入阻抗很(hěn)高，因此可(kě)以将電(diàn)流非常小(xiǎo)的信号用(yòng)作输入。运算放大器的输出阻抗也很(hěn)低，因此输出信号将具有(yǒu)高電(diàn)流。这使得运算放大器成為(wèi)完美的缓冲器。

要缓冲的信号施加在正输入端。这里的负反馈是从输出到反相输入的直接连接，因此输出将跟随输入信号馈送到运算放大器的正端。这样做是為(wèi)了保持正负输入電(diàn)压相等。该電(diàn)路提供单位增益 (1X) 并将弱输入信号缓冲為(wèi)强缓冲输出信号。

2. 反相放大器

第二个基本電(diàn)路是反相放大器。有(yǒu)关以下讨论，请参阅图 2。输入信号通过输入電(diàn)阻 R1 连接到运算放大器的负输入端。R2 从负输入连接到运算放大器的输出。正输入可(kě)以接地或连接到参考電(diàn)压。

运算放大器将输入信号反相并根据公式进行放大，

Vo = VREF1 + (Vin * (-R2/R1))

其中，Vo = 输出電(diàn)压，Vin = (VREF1 – Vin2)。

图 2 中的示例显示放大器增益為(wèi) -10。

如果 VREF1 = 2V 且 IN2 = 2.1 V，则 Vo = 2V + (2V – 2.1V) * 100K.10K = 1 V。

当我们使用(yòng)分(fēn)离式電(diàn)源且 VREF1 接地时，则适用(yòng)图 2 中的简化公式。如果反相放大器的增益等于一，我们称它為(wèi)反相器。

反相放大器广泛用(yòng)于运算放大器提供输入信号的受控放大。理(lǐ)论上运算放大器具有(yǒu)无限增益，因此在不使用(yòng)负反馈的情况下，输入信号将具有(yǒu)不可(kě)预测的增益，因此输出信号摆幅至等于运算放大器芯片本身的電(diàn)源電(diàn)压或 V2（上图中的 10V）的最大電(diàn)压。反相放大器中使用(yòng)的负反馈配置可(kě)防止这种情况发生，并提供输入信号的受控放大。

3. 同相放大器

第三个基本電(diàn)路是同相放大器或简单的放大器。有(yǒu)关以下讨论，请参阅图 3。IN3 的输入信号连接到运算放大器的正输入端。電(diàn)阻器 R4 和 R3 形成一个電(diàn)阻分(fēn)压器，為(wèi)其负输入提供反馈。

正如我们之前读到的，运算放大器将尝试并强制使输入的幅度相等。因此，当 100mV 施加到正输入时，运算放大器将尝试通过反馈网络使负输入等于 100mV。

运算放大器的输出電(diàn)压由公式决定

Vout = Vin * (1 + R4/R3)

在本例中，Vout = 100mV * (1 + 100K/10k) = 1.1 伏。

这里放大器的增益由 R4/R3 给定為(wèi) 10。

4. 积分(fēn)器/低通滤波器

第四个基本运算放大器電(diàn)路是积分(fēn)器/低通滤波器。当方波信号输入其输入端时，输出将是锯齿波。以下讨论参考图 4 中的電(diàn)路。当输入信号施加到 IN4 时，電(diàn)流流过 R5。VERF2 可(kě)以连接到地或任何其他(tā)参考電(diàn)压。

这是运算放大器的负反馈设置。当 IN4 的瞬时阶跃输入為(wèi)高電(diàn)平且 VERF2 接地时，電(diàn)容器 C1 将处于未充電(diàn)状态，因此最大電(diàn)流流过它并且電(diàn)容器开始充電(diàn)。现在我们知道在负反馈设置中运算放大器将采取措施来均衡负输入和正输入的電(diàn)压。因此零電(diàn)流流向运算放大器的负输入，此时電(diàn)压為(wèi)零。

此时运算放大器的输出将是低電(diàn)平或零。一旦電(diàn)容器两端的電(diàn)压开始建立，充電(diàn)電(diàn)流就会降低，電(diàn)容器两端的電(diàn)压将等于阶跃输入電(diàn)压。现在電(diàn)压开始在运算放大器的负输入端产生，并试图将其均衡到其正输入端，输出将开始以線(xiàn)性方式变高并為(wèi)電(diàn)容器充電(diàn)。

当電(diàn)容器达到相当于 OUT4 的電(diàn)压时，运算放大器输出端的電(diàn)压将开始下降。循环重复以生成锯齿波作為(wèi)输出。

電(diàn)容器 C1 以線(xiàn)性方式充電(diàn)和放電(diàn)导致锯齿生成。这是由公式给出的

dVo/dt = (VREF2 – IN2)/(R5 * C1)。

斜率是 dVo/dt，是输出電(diàn)压随时间的变化。当 R5 或 C1 减小(xiǎo)时，这将增加 OUT4 输出的斜率。

如果将正弦信号输入 IN4，则電(diàn)路充当低通滤波器。低于转角频率的频率 Fo 将通过几乎没有(yǒu)衰减。高于转角频率 Fo 的频率每倍频程衰减 6 分(fēn)贝。转角频率由等式给出，

Fo = 1/(2*PI*R5*C1)。

当 R5 或 C1 减小(xiǎo)时，转角频率增加。

5.微分(fēn)器/高通滤波器

第五个基本运算放大器電(diàn)路是微分(fēn)器/高通滤波器。图 5 显示了用(yòng)于以下讨论的電(diàn)路。假设 VERF3 接地，方波用(yòng)作 IN5 的信号输入。

当在 IN5 施加高逻辑或電(diàn)平 1 信号时，高電(diàn)流流过 C2 并对電(diàn)容器充電(diàn)。现在将在 R6 上产生電(diàn)压電(diàn)位。由于它是负反馈配置，运算放大器输出将尝试在反相和同相端子上均衡電(diàn)压。因此，OUT5 输出端将出现负電(diàn)压尖峰，允许電(diàn)流流过它，直到電(diàn)容器充满電(diàn)。

当信号切换為(wèi)低逻辑时，電(diàn)容 C2 将通过 IN5 放電(diàn)。现在 OUT5 将显示一个正電(diàn)压尖峰，以迫使電(diàn)流通过 IN5 并均衡反相和非反相端子上的電(diàn)压。

因此，阶跃電(diàn)压输入（方波信号）在 OUT5 产生電(diàn)压尖峰输出。如果将正弦信号输入 IN5，则電(diàn)路充当高通滤波器。高于转角频率 Fo 的频率通过时几乎没有(yǒu)衰减。

低于转角频率 Fo 的频率每倍频程衰减 6 分(fēn)贝。转角频率由等式给出，

Fo = 1/(2*PI*R6*C2)。

当 R6 或 C2 减小(xiǎo)时，转角频率增加。

6. 振荡器

第六个基本运算放大器電(diàn)路是振荡器。有(yǒu)关以下讨论，请参阅图 6。图 6 中的振荡器提供两个输出，OUT6 处的方波输出和 OUT7 处的三角波输出。

最初，非反相端子的输入為(wèi) Vs/2，即 5v。让我们假设電(diàn)容器处于未充電(diàn)状态，因此反相输入的電(diàn)压為(wèi)零。这迫使运算放大器的输出处于高状态或 Vs。当运算放大器的输出等于 Vs 时，反馈電(diàn)阻器 R9 将与 R7 并联，因為(wèi)施加在两个電(diàn)阻器上的電(diàn)压都等于 Vs。

Vo = Vs。( R8 / ( R8 + R7 || R9)

= ( 100k / 100k + 50k )

= 2Vs/3

这迫使运算放大器的正输入為(wèi) 2Vs/3，运算放大器输出的高電(diàn)平状态迫使 C3 通过 R10 充電(diàn)，直到运算放大器输入的反相输入電(diàn)压超过 2Vs/3。现在运算放大器将其输出切换到地，现在電(diàn)阻 R8 和 R9 将并联，因為(wèi)两者都接地。将其应用(yòng)于分(fēn)压器公式

Vo = Vs。( R8 || R9 / ( R8 || R9 + R7 )

= ( 50k / 100k + 50k )

= Vs/3

导致正运算放大器输入切换到 Vs/3。電(diàn)阻器 R10 对 C3 放電(diàn)，直到负运算放大器输入低于 Vs/3。因此，运算放大器正输入端的電(diàn)压在 2Vs/3 和 Vs/3 之间切换。滞后量是这两个值的差值，即 Vhys = 2Vs/3 – Vs/3 = Vs/3。

运算放大器输出在 Vs 和 0 之间切换，它们之间的持续时间很(hěn)短，从而在输出中产生方波脉冲。同时，R10 和 C3 上下斜坡，从而在電(diàn)容器 C3 上产生三角波。

输出信号的频率可(kě)由公式 Fo = 0.69 x 1 / R10 x C3 确定。这為(wèi)该電(diàn)路提供了 1kHz 的输出频率信号。

7. 比较器

第七个基本运算放大器電(diàn)路是比较器。使用(yòng)图 7 进行以下讨论。由于没有(yǒu)从输出 OUT8 向负输入 IN6 提供反馈，运算放大器用(yòng)作比较器。这意味着将比较施加在同相和反相端子上的電(diàn)压，输出将相应改变。

当 IN6 小(xiǎo)于 VREF4 时，运算放大器将等于 V7，即 +10v，减去输出级限制。这是因為(wèi)运算放大器输出在呈现高逻辑时不会达到電(diàn)源電(diàn)压的全摆幅，轨到轨运算放大器的输出接近電(diàn)源電(diàn)压但仍与電(diàn)源電(diàn)压相差几毫伏。

当 IN6 大于 VREF4 时，运算放大器输出将等于地（加上输出级限制）。在这种情况下，运算放大器的输出不会真正為(wèi)零，而是接近于零。

8. 差动放大器

第八个基本运算放大器電(diàn)路是差分(fēn)放大器。差分(fēn)放大器通常用(yòng)于放大桥接传感器，如压力传感器、应变计重量测量传感器。它们用(yòng)于放大生物(wù)電(diàn)信号，例如 EEG（脑電(diàn)图）和 EKG/ECG（心電(diàn)图）。

差分(fēn)放大器用(yòng)于热電(diàn)偶和其他(tā)隔离的差分(fēn)信号源，如低阻抗平衡線(xiàn)路动圈麦克风。基本上差分(fēn)放大器放大了施加在两个端子之间的信号幅度差异。

為(wèi)了解释图 8 中所示差分(fēn)放大器的操作，让我们在 IN7 和 IN8 之间提供一个 0.1 伏的電(diàn)源，正极连接到 IN7。

如果 IN8 以地為(wèi)参考，那么 Opamp 正端的電(diàn)压可(kě)以使用(yòng)分(fēn)压器公式确定

运算放大器正极端子 = ( 100K/100K + 10K )* .1V = .09091 伏。

由于 IN8 接地，运算放大器负端子也必须等于 0.09091 伏。请记住，负反馈会迫使运算放大器负端和正端的電(diàn)压相等。

现在通过 R12 和 R11 的電(diàn)流必须相等，因為(wèi)两者都是串联的

I = .09091/10K = 9.091 uA。

我们可(kě)以使用(yòng)欧姆定律推导出 R11 两端的電(diàn)压

V = 9.091 uA * 100K = .9091 伏。

将这些電(diàn)压 - 运算放大器的電(diàn)压 - 0.09091 伏和 R11 两端的 0.9091 伏電(diàn)压相加将得出 OUT9 处的输出電(diàn)压

.9091V + .09091V = 1 伏，增益為(wèi) 10。

因此，您可(kě)以看到该電(diàn)路放大了施加在 IN7 和 IN8 上的输入電(diàn)压之间的差异，输出電(diàn)压為(wèi) 0.1V 至 1V。