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一文详解运算放大器

2022-03-10
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运算放大器是一种可以进行数学运算的放大电路。运算放大器不仅可以通过增大或减小模拟输入信号来实 现放大,还可以进行加减法以及微积分等运算。所以,运算放大器是一种用途广泛,又便于使用的集成电路。

图片1.jpg 

1:运算放大器的电路符号

 

如图1所示,运算放大器的电路符号同相输入端Vin(+)和反相输入端Vin(-)两个输入引脚,以及一个输出引脚Vout。实际上运算放大器还有电源引脚(+电源、-电源)和偏移输入引脚等在电路符号上没有表示出来。

 

运算放大器的主要功能是放大两输入端之间的差模信号,抑制共模信号。当信号从Vin(+)输入,且负反馈接至Vin(-),输出得到同相放大的结果 。当信号从Vin(-)输入,且负反馈任接在Vin(-)时,输出得到反相放大的结果。此外,运算放大器还具有输入阻抗极大和输出阻抗极小的特征。

 

下面让我们来看下使用了上述负反馈的放大器电路

运算放大器的基本电路  反相放大器电路

 

如图2所示,反相放大器电路具有放大输入信号并反相输出的功能。“反相”的意思是正、符号颠倒。这个放大器应用了负反馈技术。所谓负反馈,即将输出信号的一部分返回到输入,在图2所示电路中,象把输出Vout经由R2连接(返回)到反相输入端(-)的连接方法就是负反馈。

 

我们来看一下这个反相放大器电路的工作过程。运算放大器具有以下特点,当输出端不加电源电压时,同相输入端+)和反相输入端(-)被认为施加了相同的电压,也就是说可以认为是虚短路。所以,当同相输入端(+)为0V时,A点的电压也为0V。根据欧姆定律,可以得出经过R1的I1=Vin/R1。

 图片2.jpg

 

2:反相放大器电路

 

另外,运算放大器的输入阻抗极高,反相输入端(-)中基本上没有电流。因此,当I1经由A点流向R2时,I1和I2电流基本相等。由以上条件,对 R2使用欧姆定律,则得出Vout=-I1×R2。I1为负是因为I2从电压为0V的点A流出。换一个角度来 看,当反相输入端(-)的输入电压上升时,输出会被反相,向负方向大幅度放大。由于这个负方向的输出电压经由R2与反相输入端相连,因此,会使反相输入端(-)的电压上升受阻。反相输入端和同相输入端电压都变为0V,输出电压稳定。

 

那么我们通过这个放大器电路中输入与输出的关系来计算一下增益。增益是Vout和Vin的比,即Vout/Vin=(-I1×R2)/(I1×R1)=-R2/R1。所得增益为-表示波形反向。

 

在这个算公式中需要特别注意的地方是,增益仅由R1和R2电阻比决定。也就是说。我们可以通过改变电阻容易地改变增益。在具有高增益的运算放大器上应用负反馈,通过调整电阻值,就可以得到期望的增益电路。

 

运算放大器的基本电路 相放大器电路

 

与反相放大器电路相对, 图3所示电路叫做同相放大器电路。与反相放大器电路最大的不同是,在同相放大器电路中,输入波形和输出波形的相位是相同的,以及输入信号是加在同相输入端(+)。与反相放大器电路相同的是,两个电路都利用了负反馈。

 

我们来看一下这个电路的工作过程。首先,通过虚短路,同相输入端+)和反相输入端 (-)的电压都是Vin,即点A电压为Vin。根据欧姆定律,Vin=R1×I1。另外,运算放大器的两个输入端上基本没有电流,所以 I1=I2。而Vout为R1与R2电压的和,即Vout=R2×I2+R1×I1。 整理以上公式可得到增益G,即G=Vout/Vin=(1+R2/R1)。

图片3.jpg 

 

3:相放大器电路

 

如果去掉这个电路中的R1,将R2电阻变为0Ω 或者短路,则电路变为增益为1的电压跟随器。这种电路常用于阻抗变换和缓冲器中。

 

输入值的判定 — 比较器

 

Comparator,中文翻译为比较器,比较两个电压的大小,然后输出逻辑高或逻辑低。比较器常常用于检测输入是否达到规定值。也可以用运算放大器来代替比较器,但一般情况下建议使用专用的比较器IC(关于运算放大器用作比较器的应用差异参考以往专刊介绍)。比较器和运算放大器使用相同电路符号。

 

比较器电路如图4所示。我们来看一下这个电路的工作过程。首先应该注意,这个电路中没有正反馈也没有负反馈。放大Vin和VREF的差值,从Vout输出。例如,Vin大于VREF时,放大输出的Vout上升至+侧的电源电压,达到饱和。Vin小于VREF时,输出Vout下降至-侧电源电压达到饱和。

 

通过这个动作,Vin和VREF的比较结果在Vout上输出。

 

实际应用中,一般是图4电路上产生滞后(用于防止错误动作的电压领域),如图5,Vin会产生一些噪波,但仍可稳定动作。

图片4.jpg 

 

4:比较器电路

 

图片5.jpg 

5:有滞回效应的比较器电路

 

利用正反馈的谐振电路

 

负反馈系统中,从输出返到输入的信号越大,则输出越小。于此相反,正反馈中,从输出返到输入的 信号越大,则输入越大。当正反馈系统中增益大于1时,电路会振荡。将这种振荡合理利用到电路中,就形成了振荡电路。图6的不稳定多谐振荡器就是一个振荡电路。

图片6.jpg 

 

6:不稳定多谐振荡器电路

 

+侧最大值VL和-侧最大值 VL都是不稳定的,两个数值不断变化,因此称之为不稳定。我们来看看这个电路中的动作。首先,输出Vout经由R2反馈至同相输入端( +),这是一个正反馈电路。然后在输入Vout上应用R3和C,这是一个积分电路。大家可能会觉得积分电路很难,实际上,我们可以将它简单理解为, 输出在Vout上的电压的一部分,缓缓储存到电容器的一个过程电路。在初始状态中,通过正反馈电路Vout迅速增大并达到最大值(VL)。

 

然后, 通过R3和C构成的积分电路,缓缓增加反相输入端(-)。经过一定时间,同相输入端(+)的电压超过反相输入端(-)电压,相当于在差动输入上输 入负电压,则Vout在负侧上迅速增大达到-VL。Vout变为负,通过R3和C构成的积分电路,反相输入端(-)电压缓缓增大。经过一定 时间后,反相输入端电压超过同相输入端(+)的电压,相当于在差动输入上输入了正电压,则Vout向正方向迅速变化。这个过程不断重复,在Vout交替出现 VL和-VL,从而实现振荡电路动作。