運算放大器基礎知識工作和應用

2021-10-18

運算放大器基礎知識工作和應用

運算放大器也稱為運算放大器，是最有用的模擬電路元件之一。它有許多用途，例如放大器、緩沖器、反相器、積分器、微分器、振蕩器、比較器等。由于它用途廣泛，因此可用于各種應用。因此，了解運算放大器及其工作原理對于電子工程師來說非常重要。

這篇文章將解釋

什么是運算放大器

運算放大器的特性

運算放大器的工作

運算放大器的工作模式

運算放大器的應用

什么是運算放大器

運算放大器是一種集成電路（IC），用于放大模擬電路中的微弱信號。單個運算放大器單元有兩個輸入和一個輸出引腳。其中一個輸入稱為非反相或正輸入，而另一個輸入稱為反相或負輸入。簡而言之，運算放大器可以被描述為一個組件，它輸出施加在其正負輸入端的信號之間的電壓差的放大版本。

運算放大器的重要特性

這些是運算放大器最重要的特性。

高輸入阻抗——這使運算放大器能夠在其輸入引腳中吸收低電流，使其適合用作放大器。

低輸出阻抗——這使運算放大器能夠為其輸出引腳提供最大電流以驅動高功率負載。這又是放大器的必要品質。

高增益——運算放大器具有高增益，這意味著它能夠將微弱的低壓輸入信號有效地放大為高壓輸出信號。

高頻響應– 運算放大器用途廣泛，可在寬范圍的輸入信號頻率下運行。

運算放大器的工作

有幾件事是理解運算放大器及其操作的基礎。圖 0 中的電路顯示了運算放大器的符號 U1，以及運算放大器內部的簡化示意圖。運算放大器具有正負電源連接。這從電源提供電源以操作該設備。

可根據應用使用單電源或分體電源。運放有三個信號端，一個正信號輸入，一個負信號輸入，一個運放信號輸出。運算放大器由差分輸入級（Q1、Q2）、電平轉換器級 Q3 和輸出級（Q4、Q5）組成，如圖 0 所示。

當正電壓施加到 Q1 基極的 + 輸入和 - 輸入接地時，Q3 將被激活。這允許電流從 Q3 的發射極流向集電極端。因此，將在 R3 和 R4 上產生正電壓。該電壓激活 Q4，輸出將呈現 +V 電壓電平。

另一方面，當正電壓施加到 – 輸入和 + 輸入接地時。Q3 不會被激活，因此 Q4 將處于關閉狀態，但是 Q5 將導通，因為它是一個 PNP 晶體管，其基極的低邏輯會激活它們。現在輸出引腳將呈現低電平狀態，Q5 提供通過其發射極到集電極端子的電流吸收路徑。

運算放大器的工作模式

運算放大器以兩種模式運行。它們是開環和閉環操作。

開環操作：這是運算放大器輸出端的輸出信號不會反饋到其輸入端的操作模式。當沒有反饋時，運算放大器充當比較器（稍后解釋）。

閉環操作：這是運放輸出端的輸出信號反饋到運放輸入端的操作模式。

我們可以通過兩種方式配置運算放大器的閉環操作。它們是正反饋和負反饋。

正面反饋

當正輸入有反饋時，這稱為正反饋，用于振蕩器電路，或用于比較器電路的滯后。由于運算放大器的內部增益很高，當正輸入更正，大于負輸入時，輸出將完全為正。當正輸入小于負輸入時，輸出將完全為負。

負面反饋

當從輸出到負輸入有反饋時，這稱為負反饋，通常用于放大器應用。要記住的最重要的事情是使用負反饋時，運算放大器會強制正負端的輸入電壓相等。

如何在電路中使用運算放大器

運算放大器的應用范圍從濾波器、整流器、放大器、信號發生器、調制器電路等等。下面列出的應用程序將幫助您了解如何以您想要的方式在電路中使用運算放大器。

1.緩沖

第一個是緩沖區，這是所有用途中最簡單的。緩沖器用于將一系列放大器電路連接在一起，而不必擔心阻抗。它本質上是放大輸入信號的電流或功率。由于運算放大器的輸入阻抗很高，因此可以將電流非常小的信號用作輸入。運算放大器的輸出阻抗也很低，因此輸出信號將具有高電流。這使得運算放大器成為完美的緩沖器。

要緩沖的信號施加在正輸入端。這里的負反饋是從輸出到反相輸入的直接連接，因此輸出將跟隨輸入信號饋送到運算放大器的正端。這樣做是為了保持正負輸入電壓相等。該電路提供單位增益 (1X) 并將弱輸入信號緩沖為強緩沖輸出信號。

2. 反相放大器

第二個基本電路是反相放大器。有關以下討論，請參閱圖 2。輸入信號通過輸入電阻 R1 連接到運算放大器的負輸入端。R2 從負輸入連接到運算放大器的輸出。正輸入可以接地或連接到參考電壓。

運算放大器將輸入信號反相并根據公式進行放大，

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

其中，Vo = 輸出電壓，Vin = (VREF1 – Vin2)。

圖 2 中的示例顯示放大器增益為 -10。

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

當我們使用分離式電源且 VREF1 接地時，則適用圖 2 中的簡化公式。如果反相放大器的增益等于一，我們稱它為反相器。

反相放大器廣泛用于運算放大器提供輸入信號的受控放大。理論上運算放大器具有無限增益，因此在不使用負反饋的情況下，輸入信號將具有不可預測的增益，因此輸出信號擺幅至等于運算放大器芯片本身的電源電壓或 V2（上圖中的 10V）的最大電壓。反相放大器中使用的負反饋配置可防止這種情況發生，并提供輸入信號的受控放大。

3. 同相放大器

第三個基本電路是同相放大器或簡單的放大器。有關以下討論，請參閱圖 3。IN3 的輸入信號連接到運算放大器的正輸入端。電阻器 R4 和 R3 形成一個電阻分壓器，為其負輸入提供反饋。

正如我們之前讀到的，運算放大器將嘗試并強制使輸入的幅度相等。因此，當 100mV 施加到正輸入時，運算放大器將嘗試通過反饋網絡使負輸入等于 100mV。

運算放大器的輸出電壓由公式決定

Vout = Vin * (1 + R4/R3)

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

這里放大器的增益由 R4/R3 給定為 10。

4. 積分器/低通濾波器

第四個基本運算放大器電路是積分器/低通濾波器。當方波信號輸入其輸入端時，輸出將是鋸齒波。以下討論參考圖 4 中的電路。當輸入信號施加到 IN4 時，電流流過 R5。VERF2 可以連接到地或任何其他參考電壓。

這是運算放大器的負反饋設置。當 IN4 的瞬時階躍輸入為高電平且 VERF2 接地時，電容器 C1 將處于未充電狀態，因此最大電流流過它并且電容器開始充電?，F在我們知道在負反饋設置中運算放大器將采取措施來均衡負輸入和正輸入的電壓。因此零電流流向運算放大器的負輸入，此時電壓為零。

此時運算放大器的輸出將是低電平或零。一旦電容器兩端的電壓開始建立，充電電流就會降低，電容器兩端的電壓將等于階躍輸入電壓?，F在電壓開始在運算放大器的負輸入端產生，并試圖將其均衡到其正輸入端，輸出將開始以線性方式變高并為電容器充電。

當電容器達到相當于 OUT4 的電壓時，運算放大器輸出端的電壓將開始下降。循環重復以生成鋸齒波作為輸出。

電容器 C1 以線性方式充電和放電導致鋸齒生成。這是由公式給出的

dVo/dt = (VREF2 – IN2)/(R5 * C1)。

斜率是 dVo/dt，是輸出電壓隨時間的變化。當 R5 或 C1 減小時，這將增加 OUT4 輸出的斜率。

如果將正弦信號輸入 IN4，則電路充當低通濾波器。低于轉角頻率的頻率 Fo 將通過幾乎沒有衰減。高于轉角頻率 Fo 的頻率每倍頻程衰減 6 分貝。轉角頻率由等式給出，

Fo = 1/(2*PI*R5*C1)。

當 R5 或 C1 減小時，轉角頻率增加。

5.微分器/高通濾波器

第五個基本運算放大器電路是微分器/高通濾波器。圖 5 顯示了用于以下討論的電路。假設 VERF3 接地，方波用作 IN5 的信號輸入。

當在 IN5 施加高邏輯或電平 1 信號時，高電流流過 C2 并對電容器充電?，F在將在 R6 上產生電壓電位。由于它是負反饋配置，運算放大器輸出將嘗試在反相和同相端子上均衡電壓。因此，OUT5 輸出端將出現負電壓尖峰，允許電流流過它，直到電容器充滿電。

當信號切換為低邏輯時，電容 C2 將通過 IN5 放電?，F在 OUT5 將顯示一個正電壓尖峰，以迫使電流通過 IN5 并均衡反相和非反相端子上的電壓。

因此，階躍電壓輸入（方波信號）在 OUT5 產生電壓尖峰輸出。如果將正弦信號輸入 IN5，則電路充當高通濾波器。高于轉角頻率 Fo 的頻率通過時幾乎沒有衰減。

低于轉角頻率 Fo 的頻率每倍頻程衰減 6 分貝。轉角頻率由等式給出，

Fo = 1/(2*PI*R6*C2)。

當 R6 或 C2 減小時，轉角頻率增加。

6. 振蕩器

第六個基本運算放大器電路是振蕩器。有關以下討論，請參閱圖 6。圖 6 中的振蕩器提供兩個輸出，OUT6 處的方波輸出和 OUT7 處的三角波輸出。

最初，非反相端子的輸入為 Vs/2，即 5v。讓我們假設電容器處于未充電狀態，因此反相輸入的電壓為零。這迫使運算放大器的輸出處于高狀態或 Vs。當運算放大器的輸出等于 Vs 時，反饋電阻器 R9 將與 R7 并聯，因為施加在兩個電阻器上的電壓都等于 Vs。

Vo = Vs。( R8 / ( R8 + R7 || R9)

= ( 100k / 100k + 50k )

= 2Vs/3

這迫使運算放大器的正輸入為 2Vs/3，運算放大器輸出的高電平狀態迫使 C3 通過 R10 充電，直到運算放大器輸入的反相輸入電壓超過 2Vs/3?，F在運算放大器將其輸出切換到地，現在電阻 R8 和 R9 將并聯，因為兩者都接地。將其應用于分壓器公式

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

= ( 50k / 100k + 50k )

= Vs/3

導致正運算放大器輸入切換到 Vs/3。電阻器 R10 對 C3 放電，直到負運算放大器輸入低于 Vs/3。因此，運算放大器正輸入端的電壓在 2Vs/3 和 Vs/3 之間切換。滯后量是這兩個值的差值，即 Vhys = 2Vs/3 – Vs/3 = Vs/3。

運算放大器輸出在 Vs 和 0 之間切換，它們之間的持續時間很短，從而在輸出中產生方波脈沖。同時，R10 和 C3 上下斜坡，從而在電容器 C3 上產生三角波。

輸出信號的頻率可由公式 Fo = 0.69 x 1 / R10 x C3 確定。這為該電路提供了 1kHz 的輸出頻率信號。

7. 比較器

第七個基本運算放大器電路是比較器。使用圖 7 進行以下討論。由于沒有從輸出 OUT8 向負輸入 IN6 提供反饋，運算放大器用作比較器。這意味著將比較施加在同相和反相端子上的電壓，輸出將相應改變。

當 IN6 小于 VREF4 時，運算放大器將等于 V7，即 +10v，減去輸出級限制。這是因為運算放大器輸出在呈現高邏輯時不會達到電源電壓的全擺幅，軌到軌運算放大器的輸出接近電源電壓但仍與電源電壓相差幾毫伏。

當 IN6 大于 VREF4 時，運算放大器輸出將等于地（加上輸出級限制）。在這種情況下，運算放大器的輸出不會真正為零，而是接近于零。

8. 差動放大器

第八個基本運算放大器電路是差分放大器。差分放大器通常用于放大橋接傳感器，如壓力傳感器、應變計重量測量傳感器。它們用于放大生物電信號，例如 EEG（腦電圖）和 EKG/ECG（心電圖）。

差分放大器用于熱電偶和其他隔離的差分信號源，如低阻抗平衡線路動圈麥克風。基本上差分放大器放大了施加在兩個端子之間的信號幅度差異。

為了解釋圖 8 中所示差分放大器的操作，讓我們在 IN7 和 IN8 之間提供一個 0.1 伏的電源，正極連接到 IN7。

如果 IN8 以地為參考，那么 Opamp 正端的電壓可以使用分壓器公式確定

運算放大器正極端子 = ( 100K/100K + 10K )* .1V = .09091 伏。

由于 IN8 接地，運算放大器負端子也必須等于 0.09091 伏。請記住，負反饋會迫使運算放大器負端和正端的電壓相等。

現在通過 R12 和 R11 的電流必須相等，因為兩者都是串聯的

I = .09091/10K = 9.091 uA。

我們可以使用歐姆定律推導出 R11 兩端的電壓

V = 9.091 uA * 100K = .9091 伏。

將這些電壓 - 運算放大器的電壓 - 0.09091 伏和 R11 兩端的 0.9091 伏電壓相加將得出 OUT9 處的輸出電壓

.9091V + .09091V = 1 伏，增益為 10。

因此，您可以看到該電路放大了施加在 IN7 和 IN8 上的輸入電壓之間的差異，輸出電壓為 0.1V 至 1V。