運算放大器簡介

2022-09-23 15:03:02 字數 2070 閱讀 4283

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(gain)電壓放大器,因為剛開始主要用於加法,乘法等運算電路中,因而得名。

最基本的運算放大器如下圖。乙個運算放大器一般包括乙個正輸入端(op_p)、乙個負輸入端(op_n)和乙個輸出端(op_o)。

二、虛短和虛斷

理想運放和理想運放條件

在分析和綜合運放應用電路時,大多數情況下,可以將整合運放看成乙個理想運算放大器。理想運放顧名思義是將整合運放的各項技術指標理想化。由於實際運放的技術指標比較接近理想運放,因此由理想化帶來的誤差非常小,在一般的工程計算中可以忽略。

理想運放的特性:

無限大的輸入阻抗、等於零的輸出阻抗、無限大的開迴路增益、無限大的頻寬。

理想運放工作**性區時可以得出二條重要的結論:

虛短 因為理想運放的電壓放大倍數很大,而運放工作**性區,是乙個線性放大電路,輸出電壓不超出線性範圍(即有限值),所以,運算放大器同相輸入端與反相輸入端的電位十分接近相等。在運放供電電壓為±15v時,輸出的最大值一般在10~13v。所以運放兩輸入端的電壓差,在1mv以下,近似兩輸入端短路。

這一特性稱為虛短,顯然這不是真正的短路,只是分析電路時在允許誤差範圍之內的合理近似。

虛斷 由於運放的輸入電阻一般都在幾百千歐以上,流入運放同相輸入端和反相輸入端中的電流十分微小,比外電路中的電流小幾個數量級,流入運放的電流往往可以忽略,這相當運放的輸入端開路,這一特性稱為虛斷。顯然,運放的輸入端不能真正開路。

運用「虛短」、「虛斷」這兩個概念,在分析運放線性應用電路時,可以簡化應用電路的分析過程。運算放大器構成的運算電路均要求輸入與輸出之間滿足一定的函式關係,因此均可應用這兩條結論。如果運放不**性區工作,也就沒有「虛短」、「虛斷」的特性。

如果測量運放兩輸入端的電位,達到幾毫伏以上,往往該運放不**性區工作,或者已經損壞。

注意:運放的輸出不可能超出其電源電壓範圍,如+-10v供電時,最高輸出電壓不可能超過10v,最低不可能低於-10v。

三、運算放大器的常用接法:

開環迴路 (用作比較器)

當乙個理想運算放大器採用開環迴路的方式工作時,其輸出與輸入電壓的關係式如下: vout = ( v+ -v-) × aog

其中aog代表運算放大器的開環迴路差動增益(open-loop differential gai),由於運算放大器的開環迴路增益非常高,因此就算輸入端的差動訊號很小,仍然會讓輸出訊號「飽和」(saturation),導致非線性的失真出現。因此運算放大器很少以開環迴路出現在電路系統中,少數的例外是用運算放大器做比較器(comparator),比較器的輸出通常為邏輯準位元的「0」與「1」。

閉環負反饋 (用於訊號放大)

通常使用運算放大器時,會將其輸出端與其反相輸入端(inverting input node)連線,形成一負反饋(negative feedback)組態。原因是運算放大器的電壓增益非常大,範圍從數百至數萬倍不等,使用負反饋方可保證電路的穩定運作。但是這並不代表運算放大器不能連線成正回饋(positive feedback),相反地,在很多需要產生**訊號的系統中,正回饋組態的運算放大器是很常見的組成元件。

閉環放大器依據輸入訊號進入放大器的端點,又可分為反相(inverting)放大器與非反相(non-inverting)放大器兩種。

反相閉環放大器如下圖假設這個閉環放大器使用理想的運算放大器,則因為其開環增益為無限大,所以運算放大器的兩輸入端為虛接地(virtual ground),其輸出與輸入電壓的關係式如下:

vout = -(rf / rin) * vin

正相閉環放大器如下圖假設這個閉環放大器使用理想的運算放大器,則因為其開環增益為無限大,所以運算放大器的兩輸入端電壓差幾乎為零,其輸出與輸入電壓的關係式如下:

vout = ((r2 / r1) + 1) * vin

閉環正回饋 (常用來**產生訊號等)

將運算放大器的正向輸入端與輸出端連線起來,放大器電路就處在正回饋的狀況,由於正回饋組態工作於一極不穩定的狀態,多應用於需要產生**訊號的應用中。

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