運算放大器工作原理

2021-03-03 23:37:11 字數 2345 閱讀 1788

關於運算放大器的概念,前面雖然已經介紹過了,這裡再稍微詳細的介紹一下。

由於運算放大器的增益極高,所以不能在兩輸入端之間加上輸入訊號,而一定要用作反饋放大器。這種運算放大器基本上可分為圖 2 - 9 所示的非倒相放大電路和圖 2 - 10 所示的倒相放大電路兩類。

(a) 非倒相放大電路

首先,我們來討論非倒相放大電路。設 in+ 端和 in -端的電壓分別為和 ,並認為運算放大器的增益無限大,則為要獲得有限的輸出電壓,則 = 。這點則是運算放大器工作中的一大特徵。

在此前提下,分析電路工作就能變得十分簡單。根據此特徵,輸入與輸出的關係為:

(b) 倒相放大電路

下面我們來分析倒相放大電路。 = ,這點是與非倒相放大電路情況相同的, 所以 =0v 。這樣,儘管有輸入訊號,然而端處為 0v 。

恰似接地,所以被叫做假想接地。於是,若討論流經 、 的電流 i ,由於運算放大器的輸入電流為 0 ,則

據此,可得出輸入與輸出的關係

可見,非倒相放大器和倒相放大電路,是從對應於輸入,其輸出是否倒向這一事實出發而得名的。

(c) 差分放大電路

如圖 2 - 11 所示,可將兩個這種放大電路組合成差分放大電路。 端的電壓由和分壓而得

流經和的電流 i 為

由上述兩式可得

其中,如設 = , = ,則

即差分放大器能夠獲得和之差成正比的輸出。

實際的運算放大器

以上所述是均是理想的運算放大器的情況。實際上,運算放大器的增益不可能無限大,有電流向 、 端子流入(或流出),並且其電流不一定相等。即使在無訊號時, 、 之間也有一定的電壓。

(a) 輸入偏置電流()的影響

如果運算放大器的輸入級由電晶體構成,要使電路能正常工作,應有偏置電流(基極電流)流過。該輸入偏置電流流經反饋電阻時,會產生壓降,從而造成輸出誤差。

在圖 2 - 12 電路中,儘管無輸入,但是在輸出端也會出現位移電壓 。此為:

由於 ,設 = // ( 與併聯的值 ) ,則 = 0 ,輸入偏流的影響消失。並且,採取 c 耦合,將電容器與串連時,若設 ,則 = 0 。

對於採用場效電晶體構成輸入級的運算放大器,由於輸入偏流幾乎可以忽略不計,不必產生過去的顧慮。但是,由於採用場效電晶體輸入的運算放大器來講,如果溫度上公升 10 攝氏度 ,則輸入偏流將增高兩倍,因此,這種運算放大器必須避免在高溫情況下使用。

(b) 輸入位移電流( )的影響

在前項中,設端、 端的輸入偏流 、 相等,但實際上二者之間多少有些不同, 與之差被叫做輸入位移電流。

當設定常數,而使輸入偏流不致產生影響時,因輸入位移電流所造成的輸出位移電壓為: = .

它與與無關,於是對於通過雙極型輸入運算放大器來講, 的上限值為 100 ,希望值更大時,應使用場效電晶體輸入運算放大器。

(c) 輸入位移電壓( )的影響

在造成輸出誤差的原因中,有輸入偏流,輸入位移電流,還有輸入位移電壓。

如圖 2 - 13 所示,雖然沒有訊號,然而工作時宛如在輸入端加上了的電壓。因此,在輸出端出現了增益倍數的電壓。這與輸入偏流和輸入位移電流不同,不能通過電阻值得設定來減小其影響。

因此,對單運算放大器來講,一般具有片位移電壓調節端子,如圖 2 - 14 所示,接入可變電阻,可以將位移調整為 0 。

(3) 引數的設定

現在來分析圖 2 - 15 所示的非倒相放大電路。以此電路製作增益 10 ( 20db )的放大電路時,增益為:

因此, 與 、 的絕對值無關,可有其比值決定。

當反饋電阻過小時

現設 、 ,計算出 = 10 。那麼在實際使用運算放大器,採用上述電阻值時,看看是否能獲得增益為 10 的放大電路。

回答是否定的。其原因在於,對於運算放大器來講, 是負載,若出現振幅,則與此對應的電流將流經 、 。一般的運算放大器的輸出電流不超過 20ma 。

若按此計算, 僅會出現在振幅為 200mv 左右的訊號(圖 2 - 16 )

並且,由於開環增益大大下降,不僅得不到必要的增益(這裡為 10 ),而且失真率也大大增加了。

反饋電阻過大時

那麼設 、 ,情況又將如何呢?這樣一來,前述情況不存在了。此時,無論增益,還是振幅均可獲得需要的數值。

然而,現在又會出現其他的問題。流經端子的輸入偏流的影響不能完全忽略不計, 出現輸出位移,最壞的情況下輸出將出現飽和現象。

寄生電容的影響也不能忽視,當訊號頻率增高時,增益將失常,電阻引起的熱雜訊的影響增加,輸出雜訊會增加。

反饋電阻適當的範圍

如上所述, 、 的值存在著乙個適當的區域,這個區域通常為幾百歐至幾千歐。通常,選取為幾千歐至幾十千歐(圖 2 - 15 )

這一電阻範圍不僅使用於非倒相放大電路,而且對於倒相放大電路或差分放大電路也是適用的。但是,在這種情況下,從輸出端到端之間的反饋電阻值(圖 2 - 10 的 、圖 2 - 11 的 )應在幾千歐以上。

運算放大器的基本工作原理

關於運算放大器的概念,前面雖然已經介紹過了,這裡再稍微詳細的介紹一下。由於運算放大器的增益極高,所以不能在兩輸入端之間加上輸入訊號,而一定要用作反饋放大器。這種運算放大器基本上可分為圖 2 9 所示的非倒相放大電路和圖 2 10 所示的倒相放大電路兩類。a 非倒相放大電路 首先,我們來討論非倒相放大...

運算放大器的基本工作原理

關於運算放大器的概念,前面雖然已經介紹過了,這裡再稍微詳細的介紹一下。由於運算放大器的增益極高,所以不能在兩輸入端之間加上輸入訊號,而一定要用作反饋放大器。這種運算放大器基本上可分為圖 2 9 所示的非倒相放大電路和圖 2 10 所示的倒相放大電路兩類。a 非倒相放大電路 首先,我們來討論非倒相放大...

運算放大器簡介

一 運算放大器 放大器 能把輸入訊號的電壓或功率放大的裝置。運算放大器 運算放大器 operational amplifier,簡稱op opa opamp 是一種直流耦合 差模 差動模式 輸入 通常為單端輸出 differential in,single ended output 的高增益 gai...