运算放大器的基本知识

在本教程中,我们将一般地了解运算放大器,其特征,少数应用和一些重要的运算放大器基础知识。

运算放大器或简单的OP-AMP是最常用和广泛使用的电子元件之一。它们是模拟电路中的主座块,用于广泛的消费电子,工业设备和科学设备。

介绍

运放通常被称为运放,是一种具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗特点的双输入单输出差分电压放大器。

运算放大器被称为,因为它具有模拟计算机的起源,主要用于执行数学操作。

根据反馈电路和偏置,运算放大器可以进行加、减、乘、除、反运算,有趣的是,它甚至还可以执行微分和积分等微积分运算。

今天,运放是电子电路中非常流行的构建模块。运放用于各种应用,如交流和直流信号放大,滤波器,振荡器,稳压器,比较器和大多数消费和工业设备。

OP-AMPS对温度变化或制造变化的依赖性略有依赖,这使得它们在电子电路中成为理想的构建块。

操作放大器的基本电路如上图所示。OP-AMP具有差分放大器输入级和发射器跟随输出级。实用的OP-AMP电路比上面显示的基本OP-AMP电路更复杂。

晶体管Q1和Q2形成差分放大器,其中输入电压的差值作用于Q1和Q2的基端。晶体管Q3作为一个发射极跟随器,并提供低输出阻抗。

基本运放电路的输出V被给出,

V.= VCC.-v.rc.- - - - - - VBE3

Vout = VCC - ic2rc - vbe

在哪里,五rc.电阻器r的电压是电压C和VBE3是晶体管Q3的基极发射极电压。

假设晶体管Q1和Q2是匹配的晶体管I.,它们具有相等的V.水平和平等的当前收益。如果两个晶体管基座端子连接到地,则发射​​极电流IE1.和我E2.是平等的,我都是E1.和我E2.流过公共电阻RE。发射极限由关系给出,

一世E1.+我E2.= V关于/ R.E.

如果Q1和Q2底座都接地,

0 - V.-v.关于+ VEE.= 0.

例如V关于= VEE.- - - - - - V

因此,我E1.+我E2.= (VEE.- - - - - - V)/ R.E.

当正电压施加到非反相输入端时,通过输入电压向上拉出Q1的基极,并且其发射极端子跟随输入信号。由于Q1和Q2发射器连接在一起,因此Q2的发射极也被非反相终端处的正输入拉动。

Q2的底部接地,因此其发射器处的正电压导致其基极发射极电压V的降低BE2。V的减少BE2导致发射极电流IE2.减少并因此C2.也减少了。

可以注意到,引脚#3处的正输入给出了正输出,因此名称非反相输入端子。

OP-AMP符号

笔记:

  • 如果将输入信号应用于连接到接地的其他输入端子的输入端子,则该操作被称为“单端”。
  • 在单端操作中,由于共发射极连接,应用单输入驱动两个晶体管。因此,所获得的输出由两个收集器驱动。
  • 如果将两个输入信号应用于两个输入端子,则操作被称为“双端”。
  • 在双端操作中,应用于两个输入端子的输入差驱动晶体管,所获得的输出由两个集电极驱动。
  • 如果对两个输入应用相同的输入,则该操作称为“共模”。在共模操作中,两个输入端子上的共输入信号在每个集电极上产生相反的信号。
  • 这些信号被取消,导致输出信号为零。实际上,相反的信号不完全彼此抵消,并且输出导致小信号。

晶体管差分放大器

所有OP-AMPS都包括在其输入级的差分放大器。如果将两个不同的电压信号施加到OP-AMP的两个输入端子,则产生的输出信号与两个信号之间的“差”成比例。

因此,差分放大器放大了相对于公共参考测量的两个电压之间的差。OP-AMP的差分放大器级如下所示。

两个晶体管Q1和Q2具有相同的特性。两个输入信号VI1和VI2分别应用于Q1和Q2的基极端子。请注意,差分放大器具有两个输出端子V.O1群和VO2

理想情况下,当两个输入相等时输出电压为零。当Vi1大于Vi2时,输出端子VO1群将是积极的和vO2将是消极的。当V.I2大于VI1,输出端子vO2对v将是积极的O1群

V的输出O.是由,

V.O.=一个D.(VI1- - - - - - VI2

哪里A.D.是差分增益。

差分放大器可以以四种不同的方式配置:

  • 双输入平衡输出差分放大器。
  • 双输入不平衡输出差分放大器。
  • 单输入平衡输出差分放大器。
  • 单输入不平衡输出差分放大器。

共模增益

当相同的输入电压信号施加到输入端子时,操作被称为“共模”操作。共模信号通常是干扰或静态信号。

共模增益是由共模输入引起的输出电压变化除以共模输入电压。

虽然差分放大器提供施加到两个输入的差电压的大放大器,但它抵消共模输入信号I.。它拒绝放大共模信号。

差分放大器拒绝公共模式信号的能力以其共模抑制比(CMRR)而言表示。

CMRR值越高,对共模信号的抑制能力越强。因此,任何不希望的信号,如噪声或干扰拾取器,将出现作为共同的输入终端和这个信号的影响输出将是零。

CMRR是差分增益与差分放大器的共模增益的比率,即

CMRR =一个D./一个C

在哪里,答:D.= VO./(V.I1- - - - - - VI2

和一个C= VO(cm)/ V.我(cm)

理想运放的等效电路

上面显示了理想的OP-AMP的等效电路。输入电压V是电压差(V1- v2)。Z.输入阻抗和Z是多少是输出阻抗。

增益参数A称为开环增益。如果OP-AMP没有从输出到任何一个输入的任何反馈,则据说它以开环配置运行。

理想的OP-AMP表现出无限的开环增益,无限输入阻抗,零输出阻抗,无限电压摆动,无限带宽,无限的重锤速率和零输入偏移电压。

运算放大器特性

输入阻抗(Z

理想的OP-AMP具有无限的输入阻抗,以防止电流从供应流入OP-AMP电路。但是,当OP-AMP用于线性应用时,外部提供某种形式的负反馈。由于这种负面反馈,输入阻抗变为

Z.= (1 + aOLβ)Z.一世

在哪里,z.输入阻抗是否没有反馈

一种OL是开环增益

β是反馈因子(用于电压跟随器的1)

连接到运算放大器的输入的信号源的阻抗必须远小于放大器输入阻抗,以避免信号损耗。

输出阻抗(ZOUT)

理想的运放输出阻抗为零。这意味着输出电压与输出电流无关。因此,一个理想的运放可以作为一个完美的内阻为零的内部电压源,使最大的电流可以被驱动到负载。

实际上,OP-AMP的输出阻抗受到负反馈的影响,并由

Zout = Zo / (1 + AOL β)

在哪里,

Zo是无反馈运放的输出阻抗

AOL是开环增益

β是反馈因子

连接在运算放大器的输出端的负载阻抗必须大于电路输出阻抗,以避免随着ZOUT的电压降的任何显着损耗输出。

开环增益(AVO)

OP-AMP的开环增益被定义为OP-AMP的增益,当没有从输出到其输入中的任何反馈时。对于理想的OP-AMP,增益理论上是无限的,但实用的价值范围从20,000到200,000。

带宽(BW)

理想的OP-AMP可以将来自DC的任何频率信号放大到最高的AC频率,因此它具有无限的频率响应。因此,理想的OP-AMP的带宽应该是无限的。

在实用电路中,OP-AMP的带宽受增益带宽产品(GB)的限制。

共模抑制比(CMRR)

共模抑制比定义为运放抑制共模输入信号的能力。共模抑制比是运算放大器的一个重要指标。一个理想的运放将有无限的共模抑制比。在实际电路中,共模抑制比由

CMRR = 20 log10 (AD/|AC|) dB

在其中,广告是差分增益,交流是OP-AMP的共同模式增益。

偏移电压(VIO.

输入偏置电压定义了使输出对地为零伏所需的输入端子之间的差动直流电压。一个理想的运放将有零偏置电压,而实际运放显示一些小的偏置。

转换速率

压摆率被定义为每单位时间的输出电压的最大变化,并表示为每秒伏。

理想的OP-AMP将具有无限的转换速度。在实际运算放大器中,转换速率固有地受到OP-AMP的小型内部驱动电流的限制,并且还由旨在补偿高频振荡的内部电容。

运算放大器特性表

OP-AMP频率响应

开环增益aOL不是所有频率都是常数。实际运放具有频率相关的开环增益。实际运放的频率响应曲线如下图所示。

从上面的曲线来看,我们可以注意到,增益和频率的乘积在沿曲线的任何点处是恒定的。这种常数被称为增益带宽产品(GB)。而且,通过单位增益(0 dB)频率确定沿着曲线的任何点处的放大器的增益。

运算放大器带宽

运算放大器的带宽定义为其最大输出值的放大器的电压增益(最大为0dB)的频率范围。

在上图中,AV(MAX)的-3DB示出为37dB。37dB线与诸多曲线相交,以超过10kHz频率。如果放大器的GB产品是已知的,则可以更准确地计算该频率。

可以看出,开环增益随着输入信号频率的增加而减小。频率以对数标度绘制,增益随频率以对数方式增加而线性减小。

众所周知,运算放大器的收益率为每十年20 dB。

OP-AMP应用程序

  • 运算放大器是电子电路中流行的构建模块,它们在大多数消费和工业电子系统中找到了应用。
  • 运算放大器可以配置为不同类型的信号放大器,如反相、非反相、微分、求和等,也可以用于执行数学运算,如加法、减法、乘法、除法,还可以进行微分和积分。
  • 运算放大器可用于构造有源滤波器,提供高度通过,低通,带通,带拒表和延迟功能。
  • OP-AMP的高输入阻抗和增益允许直接计算元素值,允许准确地实现任何所需的过滤器拓扑,几乎没有关注过滤器或后续阶段的阶段的负载效果。
  • 如果必要的话,运算放大器可以充当比较器。输入电压之间最小的差异将被大大放大。
  • 运放用于振荡器的构造,如Wein桥振荡器。运算放大器也用于非线性电路,如对数和反对数放大器。
  • OP-AMPS将应用作为电压源,电流源和电流汇,以及DC和AC电压表。OP-AMPS也用于信号处理电路,例如精密整流器,夹紧电路和采样和保持电路。

运放的总结

  • 运算放大器是一个非常高的增益直流差分放大器。大多数OP-AMP需要正极和负电源来运行。
  • OP-AMP可以通过一个或多个外部反馈和电压偏置配置,以获得所需的响应和特性。
  • 基本运放结构是一个三端设备,不包括电源连接。运放感知其输入端施加的电压信号之间的差异,然后用一些预先确定的增益放大它。这个增益通常被称为“开环”增益。
  • 通过在运放的输出端和输入端之间连接一个电阻或无功组件来闭合开环,大大降低并控制了这个开环增益。
  • 一个理想的OP-AMP具有无限的开环增益,无限输入阻抗,零输出阻抗,无限带宽,无限的转换速率和零偏移。
  • 实际的OP-AMP展示高开环增益,高输入阻抗和低输出阻抗。
  • 由于运算放大器具有多种用途,所以可以与电阻和电容一起使用来构建功能电路,如反相、非反相、电压跟踪、加法、减法、积分和微分式放大器。

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