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运算放大器基础知识

在本教程中,我们将学习运算放大器的一般情况,它的特性,少数应用和一些重要的运算放大器基础知识。

运算放大器或仅适用于OP-AMP是最常用和广泛使用的电子元件之一。它们是主要的积木模拟电路并用于广泛的消费电子,工业设备和科学设备。

介绍

通常称为OP-AMP的运算放大器是两输入单输出差分电压放大器,其特征在于高增益,高输入阻抗和低输出阻抗。

运算放大器之所以叫运算放大器,是因为它起源于模拟计算机,主要用于进行数学运算。

根据其反馈电路和偏置,可以使OP-AMP添加,减去,乘以,划分,否定,甚至可以执行差分和集成等微积分操作。

如今,OP-AMPS在电子电路中非常受欢迎的构建块。OP-AMPS用于各种应用,例如AC和DC信号放大,滤波器,振荡器,电压调节器,比较器和大多数消费和工业设备。

运放对温度变化或制造变化的依赖性很小,这使它们成为电子电路中理想的组成部分。

基本电路运算放大器的工作原理如图所示。运放具有差分放大器输入级和射极跟随器输出级。实际运放电路比上面所示的基本运放电路要复杂得多。

晶体管Q1和Q2形成差分放大器,其中差输入电压施加到Q1和Q2的基座端子。晶体管Q3作为发射器跟随器运行并提供低输出阻抗。

基本OP-AMP电路V的输出出去给药,

V出去= V.CC- v钢筋混凝土- V.BE3

VOUT = VCC - IC2RC - VBE

在那里,V钢筋混凝土电阻两端的电压是R吗C和V.BE3为晶体管Q3的基极-发射极电压。

假设晶体管Q1和Q2是匹配的晶体管,即它们具有相等的V水平和当前收益相等。如果两个晶体管的基极都连接到地,发射极的电流IE1和我E2是相等的,IE1和我E2发射极电流由以下关系式给出:

E1+ I.E2= V.再保险/ RE

如果Q1和Q2底座连接到地面,

0 - V- v再保险+ V.EE= 0

即V.再保险= V.EE- V.

因此,我E1+ I.E2=(V.EE- V.) / RE

当正电压加到非反相输入端时,Q1的基底被输入电压拉起,其发射极端跟随输入信号。由于Q1和Q2发射极连接在一起,Q2的发射极也被非反相端的正输入拉上。

Q2的基底是接地的,所以其发射极的正电压导致其基极-发射极电压V的降低BE2.减少vBE2导致发射器电流iE2减少,因此我C2也减少了。

可以注意到,引脚3的正输入给出了正输出,因此命名为非反相输入端。

运放的象征

注意:

  • 如果一个输入信号被施加到其中一个输入端子到另一个与地相连的输入端子上,这种操作称为“单端”。
  • 在单端操作中,应用单个输入,由于共用发射器连接而驱动晶体管。因此,所获得的输出由收集器驱动。
  • 如果两个输入信号被应用到两个输入端子,这个操作被称为“双端”。
  • 在双端操作中,施加在两个输入端子上的输入差驱动晶体管,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,则操作称为“共模”。在共模操作中,两个输入端子处的公共输入信号导致每个收集器处的相反信号。
  • 这些信号被取消,导致输出信号为零。实际上,相反的信号不会完全相互抵消,输出的信号会很小。

使用晶体管的差分放大器

所有运放在其输入级由一个差分放大器组成。如果两个不同的电压信号加到运放的两个输入端子上,得到的输出信号与两个信号之间的“差”成正比。

因此,差分放大器放大相对于一个共同基准所测量的两个电压之间的差值。运算放大器的差分放大级如下图所示。

两个晶体管Q1和Q2具有相同的特性。两个输入信号Vi1和Vi2分别加到Q1和Q2的基端。请注意差分放大器有两个输出端子VO1.和V.O2

理想情况下,当输入相等时,输出电压为零。当VI1大于VI2时,输出端子VO1.是正的,而V呢O2将是负的。当Vi2大于Vi1,输出端VO2是正的吗O1.

V的输出O是(谁)给的,

VO=一个D(V.i1- V.i2

一个D是微分增益。

差动放大器有四种配置方式:

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

共同模式增益

当相同的输入电压信号加到两个输入端子上时,这种操作称为“共模”操作。共模信号通常是干扰信号或静态信号。

共模增益是由于共模输入除以共模输入电压而导致的输出电压变化。

当一个差分放大器提供施加到两个输入端的差电压的大放大时,它区分共模输入信号,即拒绝放大共模信号。

差分放大器抑制共模信号的能力以其共模抑制比(CMRR)表示。

CMRR的较高值表示其拒绝共模信号的更好能力。因此,诸如噪声或干扰拾取器的任何不期望的信号将与输入端子相同,并且该信号在输出上的效果将是零。

共模抑制比(CMRR)是差分放大器的微分增益与共模增益的比值。

CMRR = A.D/一个C

在那里,一个D= V.O/ (Vi1- V.i2

A.C= V.O(厘米)/ V我(厘米)

理想的OP-AMP的等效电路

理想运放的等效电路如上所示。输入电压VDIFF是差分电压(v1-v.2).Z输入阻抗和z出去是输出阻抗。

增益参数A称为开环增益。如果运放从输出到任何一个输入没有任何反馈,则称为在开环配置下工作。

理想的运放具有无限的开环增益、无限的输入阻抗、零输出阻抗、无限的电压摆幅、无限的带宽、无限的摆幅率和零输入偏置电压。

运算放大器的特点

输入阻抗(z

理想的运放具有无限的输入阻抗,以防止任何电流从电源流入运放电路。但当运放用于线性应用时,外部会提供某种形式的负反馈。由于这个负反馈,输入阻抗变成

Z=(1 + aol.β)Z

在那里,Z没有反馈的输入阻抗

一个ol.是开环增益吗

β为反馈因子(1为电压跟随器)

为了避免信号损失,连接到运放输入端的信号源的阻抗必须大大小于运放的输入阻抗。

输出阻抗(Zout)

理想的OP-AMP具有零输出阻抗。这意味着输出电压与输出电流无关。因此,理想的OP-AMP可以用作具有零内部电阻的完美内部电压源,从而可以驱动最大电流。

实际上,运放的输出阻抗受负反馈的影响,由

zout = zo /(1 + aolβ)

在那里,

ZO是OP-AMP的输出阻抗,无反馈

AOL是开环增益

β为反馈因子

在运放输出端连接的负载阻抗必须比电路输出阻抗大得多,以避免任何显著的输出损失,如通过Zout的电压降。

开环增益(AVO)

运放的开环增益被定义为运放在其输入端和输出端都没有反馈时的增益。对于一个理想的运放,理论上的增益是无限的,但实际值在20,000到200,000之间。

带宽(BW)

一个理想的运放可以将任何频率的信号从直流放大到最高的交流频率,因此它具有无限的频率响应。因此,理想运放的带宽应该是无限的。

在实际电路中,运算放大器的带宽受到增益带宽积(GB)的限制。

CMRR(共模抑制比)

CMRR被定义为OP-AMP拒绝共模输入信号的能力。CMRR是OP-AMP的重要衡量标准。理想的OP-AMP将具有无限CMRR。在实用电路中,CMRR由

CMRR = 20 LOG10(AD / | AC |)DB

式中,AD为差分增益,AC为运放的共模增益。

补偿电压(ViO

输入偏移电压限定输入端子之间所需的差分直流电压,以使输出零伏相对于地。理想的OP-AMP将具有零偏移电压,而实用的OP-AMPS显示一些小偏移量。

转换率

转换速率定义为单位时间内输出电压的最大变化,并表示为每秒电压。

理想的运放具有无限的转换速率。在实际运放中,转换速率天生受到运放内部驱动电流小的限制,同时也受到内部电容用于补偿高频振荡的限制。

OP-AMP特征表

运算放大器的频率响应

开环增益Aol.所有频率都不是恒定的。实际运算放大器具有频率相关的开环增益。实际OP-AMP的频率响应曲线如下所示。

从上面的曲线,我们可以注意到增益和频率的乘积在曲线上的任何一点都是恒定的。这个常数被称为增益带宽乘积(GB)。此外,放大器在曲线上任意一点的增益由单位增益(0db)频率决定。

运算放大器的带宽

运算放大器的带宽定义为放大器的电压增益大于其最大输出值的-3dB(最大值为0dB)的频率范围。

在上图中,AV(max)的-3dB为37dB。37dB的线与曲线相交的频率刚好超过10 kHz。如果已知放大器的国标积,则可以更准确地计算出该频率。

可以注意到,随着输入信号的频率增加,开环增益减小。频率以对数刻度绘制,随着对数方式的频率增加,增益线性降低。

运算放大器增益的下降速率已知为每10年20分贝。

运算放大器的应用

  • 操作放大器是电子电路中的流行构建块,并且在大多数消费和工业电子系统中找到应用。
  • OP-AMPS可以配置为与反相,非反相,差分,求和等相同的不同类型的信号放大器一起工作,以及它用于执行数学操作,如添加,减法,乘法,划分以及分化和集成.
  • 运算放大器可用于构造活跃的过滤器,具有高通、低通、带通、带阻和延迟功能。
  • 运算放大器的高输入阻抗和增益允许直接计算元素值,允许精确实现任何理想的滤波器拓扑,而很少考虑滤波器中各阶段或后续阶段的负载影响。
  • 如有必要,可以强制运算放大器作为比较器。输入电压之间的最小差异将相当放大。
  • OP-AMPS用于振荡器的构造,如魏桥振荡器。OP-AMPS也用于非线性电路,例如对数和防对数放大器。
  • 运放可作为电压源、电流源和电流汇,也可作为直流和交流电压表。运放也用于信号处理电路,如精密整流器,箝位电路和采样-保持电路。

OP-AMP摘要

  • 运算放大器是一种非常高增益的直流差动放大器。大多数运放都需要正负电源供电。
  • 运放可以通过一个或多个外部反馈和电压偏差进行配置,以获得所需的响应和特性。
  • 基本的OP-AMP结构是三个终端设备,不包括电源连接。OP-AMPS感测在其输入端子上施加的电压信号之间的差异,然后通过一些预定增益放大。此增益通常被称为“开环”增益。
  • 通过在OP-AMP的输出和一个输入端之间连接电阻或无功分量来关闭开环,大大减少并控制该开环增益。
  • 理想的运放具有无限的开环增益、无限的输入阻抗、零输出阻抗、无限的带宽、无限的转换速率和零偏移。
  • 一个实用的运放具有高开环增益,高输入阻抗和低输出阻抗。
  • 由于它们的多功能使用OP-AMP与电阻器和电容器一起使用,以构建功能电路,例如反相,非反相,电压跟随,求和,减去,积分和差分型放大器。

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