运算放大器的基本原理和原则

2022年11月17日

运算放大器

运算放大器原理图与输入电源里亚尔,和输出

一个运算放大器、运算放大器的简称,是一个高增益放大器电路,差分输入。放大器是一些最基本的电路用于线性、非线性,在电路和频率相关的数学运算。

使用运算放大器反馈,变得更加多才多艺,与应用程序从科学、消费和工业设备。有许多资源描述放大器及其功能。我们将要涉及的运算放大器功能基础,然后深入研究放大器的应用。

基本的运算放大器操作

反相运算放大器配置与负面的反馈

放大器都特别有用的特性,比如令人难以置信的高输入阻抗和低输出阻抗,与巴特电流消耗到终端。没有反馈放大器的开环配置似乎相当简单。然而,在闭环反馈配置可以为各种不同的应用程序中,我们将讨论。

不需要任何额外的电路,一个运算放大器输出正极和负极输入之间的区别。换句话说:

V_出=一个_OL(V₊- - - - - - V_{- - - - - -})

一个_OL开环增益。理想运放的开环增益是无穷,而实际放大器的开环增益至少有三个或三个以上数量级大于差动电压。开环增益值并不总是在运算放大器制造控制,所以利用运算放大器的闭环配置更有用。

放大器用武之地时实现与反馈网络,创建所需的可预测的操作。负面的反馈,确定增益和频率响应更通过反馈网络,而不是运算放大器结构本身。

最终,负面反馈,放大器功能最小化他们的终端之间的差分输入电压。换句话说,当电路中实现,他们经常操作的方式将导致他们的正面和负面的微分输入是相同的。

在上图中,我们有一个基本的反相运算放大器与消极反馈。运算放大器将电压相同的两个码头这里,0 v(正极)连接到地面。利用基尔霍夫的现行法律,我们可以说:

V_在/ R₁= - v_出/ R_f或V_出/ V_在=一个_闭环= - r_f/ R₁

理想的运算放大器只存在于理论。虽然运算放大器设计的不断改善,真正的放大器遭受各种non-idealities你应该记住当设计:

实际放大器有有限的环路增益与频率。换句话说,随着频率的增加,开环增益下降。的统一带宽增益积有限的环路增益的频率变得团结。这使得放大器的行为类似于一阶低通滤波器GBWP附近。对于高频应用程序,可以使用电流反馈运算放大器。
放大器通常(但非零)较低的输出阻抗。低输出阻抗是用于当一个低阻抗的负载使用。使用一个低阻抗的负载也减少了开环增益,并可能导致更多的静态电流输出阶段,驱散更多的权力。
真正的放大器也有有限的输入impedances-both差动输入阻抗之间的两个输入和一个共模输入阻抗,即输入阻抗相对于地面。
真正的放大器需要输入偏置电流,再加上高输出阻抗负载时,会导致电压下降。
输入失调电压设置所需的电压输出电压为零。换句话说,V_出= 0 =_OL(V₊- - - - - - V_{- - - - - -}+ V_输入_——抵消)。在理论上,这应该是零,以便输入都有相同的值时,输出驱动为零。在现实中,它是一个小的非零值差动输入级的发生。
放大器可能有共模增益,共模电压可能会稍微放大由于微分阶段的一个运算放大器的共模抑制比。(CMRR量化这一现象。
无论电源、理想的放大器是独立的波动。在现实中,电源抑制比衡量放大器拒绝供应电压的变化。
其他可能发生non-idealities温度效应、漂移、失真、噪声、和稳定性问题。

其他缺陷发生在真正的放大器包括非线性和权力相关注意事项:

741系列与突出显示的子电路运算放大器的内部示意图。

741系列与突出显示的子电路运算放大器的内部示意图。从维基百科。

有很多现成的放大器可用于你的大部分需求,包括轨到轨,精度高,噪音低。话虽这么说,有一个全面的理解如何构造基本放大器可用于调试和进一步了解电路。

在最基本的层面上,放大器由一个差分放大器,增益级,输出阶段。在这里,我们将看看741 -型运算放大器的内部电路,最常见的和现成的运算放大器的设计。

各个阶段包括:

微分放大器放大了微分信号而拒绝共模信号。它有低噪音和高输入阻抗,使用级联结构,连接到一个活跃的负载。有功负载介绍没有大的小信号阻抗高直流电压下降。Q1和Q2是一对射极跟随器,高输入阻抗。第三和第四季度是驱动有功负载Q7一双共用底座,将差分信号转换为一个单尾进入最喜欢的基础。

洋红色甲级电压放大器,由最喜欢和达灵顿配置问题19,电压增益高,使用问题作为它的集电极负载,创造更高的利益。从最喜欢/问题19 Q20有其基地。杆子有着是一个电平位移器驱动的输出晶体管Q14。在过电流的情况下,如水槽当前和防止它到达的时候。

输出放大器在青色,Q14和Q20组成的,是一个AB类放大器互补对称。杆子有着(绿色)提供了静态电流,可以目前限于篮。

放大器的最通用的电路组件。任何时候你想要执行一个数学函数模拟信号,可能一个运算放大器可以服务于这个目的,导致大安排的电路应用程序:

放大器用于各种设备和传感器。例如:

创建一个微分脉冲伏安法电路用于化学分析方法需要一个稳压器由放大器。
放大器可以用于收集电流从电化学电池电流测量设置。
压控振荡器和多谐振荡器电路可以构造放大器。另外,tuned-collector振荡器,tuned-base振荡器,Colpitts振荡器,哈特利振荡器、放大器可以放大吗和缓冲的信号。
可以使用放大器的正反馈和磁滞创建施密特触发器频率,尽管他们可能是有限的(取决于应用程序,比较器会更好)。
抗锯齿过滤器通常使用高阶有源滤波器与低噪声放大器的放大能力。
各种温度传感器等IC-based传感器有内置放大器对ADC和放大的目的。