集成运放及其经典电路详解 【 1. 什么是集成运放 】 全称为:集成运算放大器 我们拆解来看:集成:将电路封装,留出接口,使其模块化,便于移植。运算:这里涉及到的是一些数学运算,不过这里的运算对象不是简单的数字,而是电参量,是对电参量进行了加减乘除、积分、微分等计算。放大器:就是把电参量进行放大,比如把电压从1V放大至5V。 总的来说,就是通过内部器件的电参量关系将电参量进行运算,达到放大的目的。 【 2. 集成运放的电压传输特性 】 集成运放有 同相输入端
和 反相输入端
,这里的“同相”、“反相”是指运放的输入电压
、
与输出电压
之间的相位关系。从外部看,可以认为集成运放是一个双端输入、单端输出,具有高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能较好地抑制温度漂移的 差分放大电路 。集成运放的输出电压
与输入电压即同相输入端与反相输入端之间的电位差
之间的关系曲线称为 电压传输特性 ,即:
。对于正、负两路电源供电即 双电源供电的集成运放的电压传输特性 如图4.1.2(b)所示。从图示曲线可以看出,集成运放有线性放大区域(称为线性区)和饱和区域(称为非线性区)两部分。在线性区,曲线的斜率为电压放大倍数;在非线性区,输出电压只有两种可能的情况,
或
。由于集成运放放大的是差模信号,且没有通过外电路引入反馈,故称其电压放大倍数为差模开环放大倍数,记作
,因而当集成运放工作在线性区时有:
,通常
非常高,可达几十万倍,因此 集成运放电压传输特性中的线性区非常之窄。
集成运放的三大特性:虚短、虚断、虚地虚短:
,两输入端电压相等。虚断:
,两输入端的输入电流为0。虚地:
,当信号反向输入时存在(即信号从负输入端流进,而正输入端接地)。 【 3. 比例运算电路 】 1. 反相比例
虚短:
虚断:
虚地:
2. 同相比例
虚短:
虚断:
相比反向比例放大,同向比例放大具有较高的输入阻抗,这是因为同向比例放大信号输入端直接接入运放的输入端,没有任何扇出,而反向比例放大有扇出。 3. 电压跟随器
将输出电压全部反馈到反向输入端,引入电压串联负反馈。电压跟随器有 高输入阻抗、低输出阻抗 的特点,故其可以在多级电路中起到阻抗匹配、隔离的作用。虚短:
虚断:
对于左图来说:
对于右图来说:
【 4. 加减运算电路 】 1. 求和 反相求和运算电路
虚短:
虚断:
虚地:
同相求和运算电路
虚短:
虚断:
5.
2. 加减运算电路
我们采用叠加定理来求
4.
在使用单个集成运放构成的加减运算电路时,存在两个缺点:一是电阻的选取和调整不方便,而是对于每个信号源的输入电阻均较小(即相对于信号源内阻,电路的输入阻抗较小)。 因此可以采用下图的两级电路实现差分比例运算。
其中第一级为同相比例运算电路,则
,再根据叠加原理,可以得到:
若
从电路组成可以看出,无论对于
、还是对于
,均可认为输入电阻为无穷大。 【 5. 积分运算电路 】
在这里插入图片描述在实际电路中,为了防止低频信号增益过大,常在电容上并联一个电阻加以限制,如图7.1.16种虚线所示,下面分析中不考虑此电阻的存在。虚短:
虚断:
虚地:
5.
当输入为阶跃信号时,输出为; 当输入为方波信号时,输出为三角波; 当输入为正弦波信号时,输出为余弦波。 【 6. 微分运算电路 】
在这里插入图片描述虚短:
虚断:
虚地:
在上图所示基本微分运算电路中,无论是输入电压产生阶跃变化,还是脉冲式大幅值干扰,都会使得集成运放内部的放大管进入饱和或截止状态,以至于即使引号消失,管子还不能脱离状态回到放大区,出现阻塞现象,电路不能正常工作;同时,由于反馈网络为滞后环节,它与运放内部的滞后环节相叠加,易于满足自激震荡的条件,从而使电路不稳定。为解决上述问题,常在输入端串联一个电阻
以限制输入电流,也就限制了电阻R中的电流;在反馈电阻R上并联稳压二极管,以限制输出电压幅值,保证集成运放中的放大管始终工作在放大区,不至于出现阻塞现象;在R上并联小电容C,起相位补偿的作用,提高电路稳定性。如下图所示,输入电压与输出电压成近似微分的关系,若输入电压为方波,且(
,则输出为尖顶波)。
【 7. 对数运算电路 】
在这里插入图片描述虚短:
虚断:
虚地:
精度与温度有关
【 8. 指数运算电路 】
在这里插入图片描述虚短:
虚断:
虚地:
精度与温度有关
【 9. 仪表放大器 】 仪表放大器具有高输入阻抗和高共模抑制比。
根据放大器“虚短”、“虚断”的特点,我们可以知道流经
以及两个
的电流均是 i ,因此得到:
上两式相加化简得到:
可以看出后级电路是一个差分放大电路,其放大倍数为
,因此得到最终的输出为:
高输入阻抗分析: 由运算放大器的“虚断”特点可知,运放的输入端具有较高的输入阻抗,而
、
均接入了运放的同相输入端,故也有较高的输入阻抗。高共模抑制比分析: 当
时,由于
,故
中电流 i=0,则
,输出电压
。可见,电路抑制共模信号,当输入信号中含有共模噪声时,将被抑制。 【 10. 经典放大电路 】 该电路可提供偏置电压以及对输入信号交流成分放大。
如图所示为OPA211放大器原理图。其中:
作为隔直电容过滤输入信号的直流成分;
和
提供直流偏置信号,偏置电压为
;
和
分别为反馈电阻和反向端电阻,用于确定放大倍数;
作为隔直电容保证运放只放大交流信号。电路输出为:
其中,
为输入信号
的交流部分。
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