运算放大器基础知识工作和应用

2021-10-18

运算放大器基础知识工作和应用

运算放大器也称为运算放大器，是最有用的模拟电路元件之一。它有许多用途，例如放大器、缓冲器、反相器、积分器、微分器、振荡器、比较器等。由于它用途广泛，因此可用于各种应用。因此，了解运算放大器及其工作原理对于电子工程师来说非常重要。

这篇文章将解释

什么是运算放大器

运算放大器的特性

运算放大器的工作

运算放大器的工作模式

运算放大器的应用

什么是运算放大器

运算放大器是一种集成电路（IC），用于放大模拟电路中的微弱信号。单个运算放大器单元有两个输入和一个输出引脚。其中一个输入称为非反相或正输入，而另一个输入称为反相或负输入。简而言之，运算放大器可以被描述为一个组件，它输出施加在其正负输入端的信号之间的电压差的放大版本。

运算放大器的重要特性

这些是运算放大器最重要的特性。

高输入阻抗——这使运算放大器能够在其输入引脚中吸收低电流，使其适合用作放大器。

低输出阻抗——这使运算放大器能够为其输出引脚提供最大电流以驱动高功率负载。这又是放大器的必要品质。

高增益——运算放大器具有高增益，这意味着它能够将微弱的低压输入信号有效地放大为高压输出信号。

高频响应– 运算放大器用途广泛，可在宽范围的输入信号频率下运行。

运算放大器的工作

有几件事是理解运算放大器及其操作的基础。图 0 中的电路显示了运算放大器的符号 U1，以及运算放大器内部的简化示意图。运算放大器具有正负电源连接。这从电源提供电源以操作该设备。

可根据应用使用单电源或分体电源。运放有三个信号端，一个正信号输入，一个负信号输入，一个运放信号输出。运算放大器由差分输入级（Q1、Q2）、电平转换器级 Q3 和输出级（Q4、Q5）组成，如图 0 所示。

当正电压施加到 Q1 基极的 + 输入和 - 输入接地时，Q3 将被激活。这允许电流从 Q3 的发射极流向集电极端。因此，将在 R3 和 R4 上产生正电压。该电压激活 Q4，输出将呈现 +V 电压电平。

另一方面，当正电压施加到 – 输入和 + 输入接地时。Q3 不会被激活，因此 Q4 将处于关闭状态，但是 Q5 将导通，因为它是一个 PNP 晶体管，其基极的低逻辑会激活它们。现在输出引脚将呈现低电平状态，Q5 提供通过其发射极到集电极端子的电流吸收路径。

运算放大器的工作模式

运算放大器以两种模式运行。它们是开环和闭环操作。

开环操作：这是运算放大器输出端的输出信号不会反馈到其输入端的操作模式。当没有反馈时，运算放大器充当比较器（稍后解释）。

闭环操作：这是运放输出端的输出信号反馈到运放输入端的操作模式。

我们可以通过两种方式配置运算放大器的闭环操作。它们是正反馈和负反馈。

正面反馈

当正输入有反馈时，这称为正反馈，用于振荡器电路，或用于比较器电路的滞后。由于运算放大器的内部增益很高，当正输入更正，大于负输入时，输出将完全为正。当正输入小于负输入时，输出将完全为负。

负面反馈

当从输出到负输入有反馈时，这称为负反馈，通常用于放大器应用。要记住的最重要的事情是使用负反馈时，运算放大器会强制正负端的输入电压相等。

如何在电路中使用运算放大器

运算放大器的应用范围从滤波器、整流器、放大器、信号发生器、调制器电路等等。下面列出的应用程序将帮助您了解如何以您想要的方式在电路中使用运算放大器。

1.缓冲

第一个是缓冲区，这是所有用途中最简单的。缓冲器用于将一系列放大器电路连接在一起，而不必担心阻抗。它本质上是放大输入信号的电流或功率。由于运算放大器的输入阻抗很高，因此可以将电流非常小的信号用作输入。运算放大器的输出阻抗也很低，因此输出信号将具有高电流。这使得运算放大器成为完美的缓冲器。

要缓冲的信号施加在正输入端。这里的负反馈是从输出到反相输入的直接连接，因此输出将跟随输入信号馈送到运算放大器的正端。这样做是为了保持正负输入电压相等。该电路提供单位增益 (1X) 并将弱输入信号缓冲为强缓冲输出信号。

2. 反相放大器

第二个基本电路是反相放大器。有关以下讨论，请参阅图 2。输入信号通过输入电阻 R1 连接到运算放大器的负输入端。R2 从负输入连接到运算放大器的输出。正输入可以接地或连接到参考电压。

运算放大器将输入信号反相并根据公式进行放大，

Vo = VREF1 + (Vin * (-R2/R1))

其中，Vo = 输出电压，Vin = (VREF1 – Vin2)。

图 2 中的示例显示放大器增益为 -10。

如果 VREF1 = 2V 且 IN2 = 2.1 V，则 Vo = 2V + (2V – 2.1V) * 100K.10K = 1 V。

当我们使用分离式电源且 VREF1 接地时，则适用图 2 中的简化公式。如果反相放大器的增益等于一，我们称它为反相器。

反相放大器广泛用于运算放大器提供输入信号的受控放大。理论上运算放大器具有无限增益，因此在不使用负反馈的情况下，输入信号将具有不可预测的增益，因此输出信号摆幅至等于运算放大器芯片本身的电源电压或 V2（上图中的 10V）的最大电压。反相放大器中使用的负反馈配置可防止这种情况发生，并提供输入信号的受控放大。

3. 同相放大器

第三个基本电路是同相放大器或简单的放大器。有关以下讨论，请参阅图 3。IN3 的输入信号连接到运算放大器的正输入端。电阻器 R4 和 R3 形成一个电阻分压器，为其负输入提供反馈。

正如我们之前读到的，运算放大器将尝试并强制使输入的幅度相等。因此，当 100mV 施加到正输入时，运算放大器将尝试通过反馈网络使负输入等于 100mV。

运算放大器的输出电压由公式决定

Vout = Vin * (1 + R4/R3)

在本例中，Vout = 100mV * (1 + 100K/10k) = 1.1 伏。

这里放大器的增益由 R4/R3 给定为 10。

4. 积分器/低通滤波器

第四个基本运算放大器电路是积分器/低通滤波器。当方波信号输入其输入端时，输出将是锯齿波。以下讨论参考图 4 中的电路。当输入信号施加到 IN4 时，电流流过 R5。VERF2 可以连接到地或任何其他参考电压。

这是运算放大器的负反馈设置。当 IN4 的瞬时阶跃输入为高电平且 VERF2 接地时，电容器 C1 将处于未充电状态，因此最大电流流过它并且电容器开始充电。现在我们知道在负反馈设置中运算放大器将采取措施来均衡负输入和正输入的电压。因此零电流流向运算放大器的负输入，此时电压为零。

此时运算放大器的输出将是低电平或零。一旦电容器两端的电压开始建立，充电电流就会降低，电容器两端的电压将等于阶跃输入电压。现在电压开始在运算放大器的负输入端产生，并试图将其均衡到其正输入端，输出将开始以线性方式变高并为电容器充电。

当电容器达到相当于 OUT4 的电压时，运算放大器输出端的电压将开始下降。循环重复以生成锯齿波作为输出。

电容器 C1 以线性方式充电和放电导致锯齿生成。这是由公式给出的

dVo/dt = (VREF2 – IN2)/(R5 * C1)。

斜率是 dVo/dt，是输出电压随时间的变化。当 R5 或 C1 减小时，这将增加 OUT4 输出的斜率。

如果将正弦信号输入 IN4，则电路充当低通滤波器。低于转角频率的频率 Fo 将通过几乎没有衰减。高于转角频率 Fo 的频率每倍频程衰减 6 分贝。转角频率由等式给出，

Fo = 1/(2*PI*R5*C1)。

当 R5 或 C1 减小时，转角频率增加。

5.微分器/高通滤波器

第五个基本运算放大器电路是微分器/高通滤波器。图 5 显示了用于以下讨论的电路。假设 VERF3 接地，方波用作 IN5 的信号输入。

当在 IN5 施加高逻辑或电平 1 信号时，高电流流过 C2 并对电容器充电。现在将在 R6 上产生电压电位。由于它是负反馈配置，运算放大器输出将尝试在反相和同相端子上均衡电压。因此，OUT5 输出端将出现负电压尖峰，允许电流流过它，直到电容器充满电。

当信号切换为低逻辑时，电容 C2 将通过 IN5 放电。现在 OUT5 将显示一个正电压尖峰，以迫使电流通过 IN5 并均衡反相和非反相端子上的电压。

因此，阶跃电压输入（方波信号）在 OUT5 产生电压尖峰输出。如果将正弦信号输入 IN5，则电路充当高通滤波器。高于转角频率 Fo 的频率通过时几乎没有衰减。

低于转角频率 Fo 的频率每倍频程衰减 6 分贝。转角频率由等式给出，

Fo = 1/(2*PI*R6*C2)。

当 R6 或 C2 减小时，转角频率增加。

6. 振荡器

第六个基本运算放大器电路是振荡器。有关以下讨论，请参阅图 6。图 6 中的振荡器提供两个输出，OUT6 处的方波输出和 OUT7 处的三角波输出。

最初，非反相端子的输入为 Vs/2，即 5v。让我们假设电容器处于未充电状态，因此反相输入的电压为零。这迫使运算放大器的输出处于高状态或 Vs。当运算放大器的输出等于 Vs 时，反馈电阻器 R9 将与 R7 并联，因为施加在两个电阻器上的电压都等于 Vs。

Vo = Vs。( R8 / ( R8 + R7 || R9)

= ( 100k / 100k + 50k )

= 2Vs/3

这迫使运算放大器的正输入为 2Vs/3，运算放大器输出的高电平状态迫使 C3 通过 R10 充电，直到运算放大器输入的反相输入电压超过 2Vs/3。现在运算放大器将其输出切换到地，现在电阻 R8 和 R9 将并联，因为两者都接地。将其应用于分压器公式

Vo = Vs。( R8 || R9 / ( R8 || R9 + R7 )

= ( 50k / 100k + 50k )

= Vs/3

导致正运算放大器输入切换到 Vs/3。电阻器 R10 对 C3 放电，直到负运算放大器输入低于 Vs/3。因此，运算放大器正输入端的电压在 2Vs/3 和 Vs/3 之间切换。滞后量是这两个值的差值，即 Vhys = 2Vs/3 – Vs/3 = Vs/3。

运算放大器输出在 Vs 和 0 之间切换，它们之间的持续时间很短，从而在输出中产生方波脉冲。同时，R10 和 C3 上下斜坡，从而在电容器 C3 上产生三角波。

输出信号的频率可由公式 Fo = 0.69 x 1 / R10 x C3 确定。这为该电路提供了 1kHz 的输出频率信号。

7. 比较器

第七个基本运算放大器电路是比较器。使用图 7 进行以下讨论。由于没有从输出 OUT8 向负输入 IN6 提供反馈，运算放大器用作比较器。这意味着将比较施加在同相和反相端子上的电压，输出将相应改变。

当 IN6 小于 VREF4 时，运算放大器将等于 V7，即 +10v，减去输出级限制。这是因为运算放大器输出在呈现高逻辑时不会达到电源电压的全摆幅，轨到轨运算放大器的输出接近电源电压但仍与电源电压相差几毫伏。

当 IN6 大于 VREF4 时，运算放大器输出将等于地（加上输出级限制）。在这种情况下，运算放大器的输出不会真正为零，而是接近于零。

8. 差动放大器

第八个基本运算放大器电路是差分放大器。差分放大器通常用于放大桥接传感器，如压力传感器、应变计重量测量传感器。它们用于放大生物电信号，例如 EEG（脑电图）和 EKG/ECG（心电图）。

差分放大器用于热电偶和其他隔离的差分信号源，如低阻抗平衡线路动圈麦克风。基本上差分放大器放大了施加在两个端子之间的信号幅度差异。

为了解释图 8 中所示差分放大器的操作，让我们在 IN7 和 IN8 之间提供一个 0.1 伏的电源，正极连接到 IN7。

如果 IN8 以地为参考，那么 Opamp 正端的电压可以使用分压器公式确定

运算放大器正极端子 = ( 100K/100K + 10K )* .1V = .09091 伏。

由于 IN8 接地，运算放大器负端子也必须等于 0.09091 伏。请记住，负反馈会迫使运算放大器负端和正端的电压相等。

现在通过 R12 和 R11 的电流必须相等，因为两者都是串联的

I = .09091/10K = 9.091 uA。

我们可以使用欧姆定律推导出 R11 两端的电压

V = 9.091 uA * 100K = .9091 伏。

将这些电压 - 运算放大器的电压 - 0.09091 伏和 R11 两端的 0.9091 伏电压相加将得出 OUT9 处的输出电压

.9091V + .09091V = 1 伏，增益为 10。

因此，您可以看到该电路放大了施加在 IN7 和 IN8 上的输入电压之间的差异，输出电压为 0.1V 至 1V。