上一篇文章对放大电路做了简单的介绍,相信大家对"放大"这个概念已经有了一定的了解,下面我们来看一下运算放大器
1. 运算放大器及其信号放大
集成运算放大器是一种应用极为广泛的模拟器件。用集成运算放大器可以
非常方便地实现信号的放大、运算、变换等各种处理。
常见的运放电路符号有矩形和三角形两种
电路符号
这里我们采用三角形符号
端口意义
运算放大器正常工作时，必须提供工作电源，通常正负电源的连接方式为:
实际运放外部引脚实例
来看一下实际的电子元器件:
运算放大器的电路模型
这里同样可以用端口等效模型来表述运算放大器
运算放大器的传输特性
运放的增益越高，线性区的直线越陡，输入电压的线性范围越小
由于输入电阻很大，输出电阻很小，所以经常将这三个参数理想化:
即增益和输入电阻趋于无穷大，输出电阻趋于零，从而得到运放的理想模型:
相应的,电压传输特性线性区的斜线也会近似为垂线:
因为输出电压为有限值,而增益趋于无穷大,所以在线性工作区两个输入端电压差趋于零,也就是同相端电压约等于反相端电压,常称为"虚短"
另一方面,由于输入电阻趋于无穷大,所以两输入端的电流也约等于零,常称为"虚断"
讲了这么多,那怎么用运算放大器放大信号呢?
像这样直接将信号加在运放的两输入端之间,理论上是可以放大信号的,前提是Vi足够小,保证运放工作在线性区
但实际上,这个要求很难满足,换句话说,信号通常会导致运放进入饱和区,无法实现信号的线性放大,当输入正弦波时,输出会明显失真
实际应用时,线性放大时都需要引入负反馈。所谓反馈,是将输出电量送回到输入的过程:
负反馈将减小原来加到放大器输入端的信号,这样容易满足线性区的工作要求:
电压增益:
输入电阻约等于无穷大:
在输出端口,尽管还有其他并联支路,但是因为理想运放的输出电阻约为0,所以输出电阻约等于0:
2. 运算放大器的基本线性应用
电压跟随器
当直接将运放的输出端与反相端连接,就构成了一种特殊而常用的电路:
电路的电压增益为1,输出信号与输入信号是同相的,并且输入电阻无穷大
实际上,他是同相放大电路的一种形式
电压跟随器可以消除负载对电压信号源的影响,这种作用常称为"隔离"或"缓冲"
电压跟随器对电压增益的贡献:
反相放大电路
如果将同相放大器的信号输入端与接地端互换,那么电路就变成了反相放大电路:
增益为负号意味着相位与输入电压的相位是相反的
如果R1与R2相同,那么电路就是纯粹的反相器
可以做一下对比:
另外,电阻的取值也很重要,比如要放大100倍:
这时的R2电阻偏大了
改进方法是将R2支路,改为三个电阻的星型结构:
利用虚短和虚断,列出反相端和M点的电流方程,很容易就能推出电路的增益:
这时所有电阻取值都不超过1兆欧
求和电路
在反相放大电路的基础上构成加法电路:
求差电路
积分电路
在反相放大电路的基础上,将电阻R2换成电容C,便构成了积分电路:
负号表示相位相反,下面是相应曲线:
需要注意的是,输出电压并不能一直随着时间持续增加,因为运放的输出电压增大到一定程度后会进入饱和区
在实际中,这种积分电路常常不能正常工作,因为运放输入端的偏置电流会对电容有一个直流的充电,尽管这个电流很小,但随着时间的推移,最终都会导致运放进入饱和状态。
所以实际的积分电路,通常会在电容旁并联一个大电阻,避免运放工作进入饱和区:
微分电路
如果将积分电路的电容和电阻的位置互换,电路就构成了微分电路:
