運算放大器科普文章

• 來源：hth体育官网登录 更新時間：2020-04-08 14:41:03點擊：6次

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  運算放大器科普文章

  
  

          許多教材和參考指南將運算放大器（運放）定義(yi) 為(wei) 可以執行各種功能或操作（如放大、加法和減法）的專(zhuan) 用集成電路（IC）。雖然我同意這個(ge) 定義(yi) ，但仍需注重芯片的輸入引腳的電壓。

  
  

          當輸入電壓相等時，運算放大器通常在線性範圍內(nei) 工作，而運算放大器正是在線性範圍內(nei) 準確地執行上述功能。然而，運算放大器隻能改變一個(ge) 條件來使輸入電壓相等，即輸出電壓。因此，運算放大器的輸出通常以某種方式連接到輸入，這種通常被稱為(wei) 電壓反饋。

   

          在本文中，我將解釋一個(ge) 通用電壓反饋運算放大器的基本操作，並請您參閱其他內(nei) 容以了解更多信息。

   

          圖1描述了運算放大器的標準示意圖符號。有兩(liang) 個(ge) 輸入端（IN+, IN-）、一個(ge) 輸出端（OUT）和兩(liang) 個(ge) 電源端（V+, V-）。這些端的名稱可能因製造商而異，甚至單個(ge) 製造商也可能使用不同的名稱，但它們(men) 仍然是相同的五個(ge) 端。

   

          例如，您可能會(hui) 看到Vcc或Vdd而不是V+。又或者，您可能會(hui) 看到Vee或Vss而不是V-。電源端子的其他標簽會(hui) 有所不同，因為(wei) 它們(men) 指的是器件內(nei) 部的晶體(ti) 管類型。例如，當在運算放大器內(nei) 部使用雙極結型晶體(ti) 管（BJT）時，電源對應於(yu) BJT的集電極和發射極：Vcc和Vee。在運算放大器內(nei) 部使用場效應晶體(ti) 管（FET）時，電源標簽與(yu) FET的漏極和源極相對應：Vdd和Vss。如今，許多運算放大器同時包含BJT和FET，因此V+和V-是常見的標簽，與(yu) 器件內(nei) 部的晶體(ti) 管無關(guan) 。簡言之，不要太在意引腳標簽，隻要理解它們(men) 的作用即可。

    

  圖1：通用型運算放大器示意圖符號

   

          等式1表示運算放大器的傳(chuan) 遞函數：

   

   

  
  

          在等式1中，AOL被稱為(wei) “開環增益”。在現代運算放大器中，它通常是一個(ge) 非常大的值（120 dB或1,000,000 V/V）。例如，如果IN+和IN-之間的電壓差僅(jin) 為(wei) 1mV，運算放大器將嚐試輸出1000V！在這種配置中，運算放大器不在線性區域內(nei) 工作，因為(wei) 輸出不能使輸入彼此相等（記住，理想情況下In+等於(yu) In-）。因此，運算放大器需要一種方法來控製開環增益，即通過負反饋來實現。

   

          圖2描述了作為(wei) 反饋控製係統一部分的運算放大器。您會(hui) 注意到輸出OUT通過一個(ge) 標記為(wei) ß的塊反饋到負輸入IN-。ß被稱為(wei) 反饋因子，通常使用電阻來降低輸出電壓。

   

   

  圖2：負反饋運算放大器

   

          圖3比較了開環運算放大器和負反饋運算放大器。這些TINA-TI™軟件仿真電路采用的運放是近乎理想的運放，加了電源來限製輸出電壓。注意，對於(yu) 左側(ce) 的開環配置，輸出幾乎等於(yu) 正電源（V+）。這是因為(wei) 輸入引腳之間有一個(ge) 很小的差異（100mV）。這種小電壓被開環增益放大，開環增益會(hui) 強製輸出到其中一個(ge) 電源電壓。在圖3右側(ce) 的負反饋或閉環電路中，運算放大器輸出上的分壓器需要200 mV的輸出電壓，以便使反相和同相輸入相等。

   

   

  圖3：開環（左）與(yu) 負反饋（右）

   

          輸入電壓的放大稱為(wei) 增益。它是反饋回路中電阻值的函數。等式2描述了圖3中右邊電路的增益方程，這就是所謂的同相放大器。您將看到計算出的輸出電壓與(yu) 仿真相符。如果您想要了解有關(guan) 此電路（以及其他常見的運算放大器電路，如緩衝(chong) 器、同相放大器和差分放大器）的更多信息，您可以下載電子書(shu) “模擬工程師電路指南：放大器”。”

   

   

  
  

          運算放大器的輸出受到電源電壓的限製。圖4是圖3中同相放大器的輸出電壓與(yu) 輸入電壓的關(guan) 係圖。注意當輸出接近正負電源時，輸出由於(yu) 飽和受限。

   

   

  圖4：同相放大器電路的輸出與(yu) 輸入電壓

   

          由於(yu) 這個(ge) 限製，在圖5中可以看到，隨著輸出接近電源，輸入引腳之間的電壓差Vdiff增加。隻有當輸入幾乎相等時，運算放大器才在線性區域工作。

   

   

  圖5：同相放大器電路的Vdiff和IN+

   

          為(wei) 了更深入地了解運算放大器，請查看我們(men) 的模擬課程TI高精度實驗室。本課程將深入探討運算放大器，並討論輸入失調電壓（Vos）、輸入偏置電流（IB）和輸入/輸出限製等基本非理想因素。還有一些高級主題講座，如運算放大器帶寬（BW）、壓擺率（SR）、噪聲、共模抑製比（CMRR）、電源抑製比（PSRR）和穩定性。除了講座之外，有些主題還包括動手實驗。為(wei) 了進行這些實驗，您需要相應的運算放大器評估模塊。

   

          如果您喜歡DIY一些電路，那麽(me) 可能會(hui) 對通用DIY放大器電路評估模塊（用於(yu) 單通道運放）、雙通道通用DIY放大器電路評估（用於(yu) 雙通道運放）或DIP封裝轉換評估模塊（可與(yu) 標準的打樣板或電路試驗板一起使用）感興(xing) 趣。DIY-EVMs支持不同封裝的運放，並具有許多標準運算放大器電路，如本文所述的同相放大器、反相放大器、緩衝(chong) 器和濾波器（包括Sallen-Key和多反饋）。由於(yu) 雙列直插式封裝（DIP）轉換EVM可以將許多標準的表麵貼裝封裝轉換為(wei) DIP，以便與(yu) 電路試驗板一起使用，因此您可以評估任何配置的放大器。

   

          這就是運算放大器的基本原理：隻有當輸入引腳的電壓相等時，運算放大器才是線性的。然而，為(wei) 了實現這一點，運算放大器隻能調整其輸出電壓。輸出擺幅限製會(hui) 導致輸入電壓差增大，從(cong) 而導致非線性。

  
  

  
  

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