模拟电子技术之运算放大器「建议收藏」

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

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
2. 运算放大器的基本线性应用

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

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这里我们采用三角形符号

端口意义

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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:

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实际运放外部引脚实例

来看一下实际的电子元器件:

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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

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运算放大器的传输特性

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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:

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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:

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相应的,电压传输特性线性区的斜线也会近似为垂线:

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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?

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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:

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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:

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电压增益:

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输入电阻约等于无穷大:

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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:

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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:

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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:

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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:

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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:

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另外,电阻的取值也很重要,比如要放大100倍:

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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:

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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:

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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:

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求差电路

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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:

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负号表示相位相反,下面是相应曲线:

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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:

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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:

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