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[導(dǎo)讀]運(yùn)算放大器(簡稱“運(yùn)放”)是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中,通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。由于早期應(yīng)用于模擬計算機(jī)中用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算,因而得名“運(yùn)算放大器”。

首先我們來講講在模電中,各種放大倍數(shù)符號的對比:

A: 增益或放大倍數(shù)的通用符號

Ac: 共模電壓放大倍數(shù)

Ad: 差模電壓放大倍數(shù)

Ai: 電流放大倍數(shù)

Au: 電壓放大倍數(shù)

Auf: 有反饋時的電壓放大倍數(shù)

Aus: 考慮信號源內(nèi)阻時的電壓放大倍數(shù)

然后,放大倍數(shù)指的是什么呢?

放大作用是針對變化量而言的,對于放大電路而言,其放大倍數(shù)指的是輸出信號與輸入信號的變化量之比。對于電壓放大倍數(shù)或者電流放大倍數(shù),其輸入與輸出的變化量也不一樣。

放大電路種類

當(dāng)我們在討論放大器之前,我們首先要知道放大器的虛短(短路)和虛斷(斷路)是怎么回事?

由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大,一般的通用型運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在 80 dB 以上(即1萬倍以上)。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的,一般在 10 V~14 V。因此可以推算出運(yùn)放的差模輸入電壓不足 1 mV,兩輸入端近似等電位,相當(dāng)于 “短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大,兩輸入端的電位越接近相等。

“虛短”是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時,可把兩輸入端視為等電位,這一特性稱為虛假短路,簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。虛短得出正負(fù)輸入端等電位的結(jié)論。

虛短的存在是有條件的,這個條件是“運(yùn)放要處于放大狀態(tài)且開環(huán)增益很大”,(因?yàn)橐_保運(yùn)放的開環(huán)增益很大,運(yùn)放處于不同的工作狀態(tài)會影響開環(huán)增益,比如進(jìn)入飽和區(qū)的開環(huán)增益A與放大區(qū)的開環(huán)增益A是不同的!因此才要運(yùn)放處于放大狀態(tài))要滿足這個條件只有兩種狀態(tài):

在開環(huán)電路中,輸入兩端的電壓差非常小,不會讓運(yùn)放飽和;

在閉環(huán)的深度反饋電路中。

“虛斷”相對于“虛短”理解起來就容易多了,即電流流向運(yùn)放輸入端幾乎為零,在上圖中體現(xiàn)在 I1 等于 I2 ,這是由于運(yùn)放輸入差模電阻很大,理想運(yùn)放可近似看為無窮大,如果輸入差模電阻是無窮大也就是開路了,所以并沒有電流流入,實(shí)際運(yùn)放雖說不是無窮大,但是這個值很大,一般都在 1MΩ 以上,因此流向運(yùn)放輸入端電流很小(可以反推,如果電流為 1mA,就會產(chǎn)生很高的輸入差模電壓,顯然運(yùn)放不能正常工作了),因此可以近似看為斷路,并不是真正的斷路,也就是“虛斷”。虛斷的存在是無條件的,因?yàn)檫@是由它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的,輸入電阻大,電流進(jìn)不去。虛斷得出電流不流入流出放大器輸入端,而外端電流相等的結(jié)論。

電壓跟隨器

當(dāng)我們在日常的工作中,經(jīng)常能夠看到這樣的原理圖出在電路圖中,我們?nèi)绾沃浪妮敵鲭妷汉头糯蟊稊?shù)呢?

首先,我們來說這個結(jié)構(gòu)是電壓跟隨器,實(shí)現(xiàn)的是輸出電壓跟隨輸入電壓的變化的一類電子元件。也就是說,電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。由上面講到的虛短性質(zhì),很容易得到Ui=Up=Un=Uo。

電壓追隨器的作用:

緩沖:在一定程度上可以避免由于輸出阻抗較高,而下一級輸入阻抗較小時產(chǎn)生的信號損耗,起到承上啟下的作用。

隔離:由于電壓跟隨器具有輸入阻抗高,輸出阻抗低的特點(diǎn),使得它對上一級電路呈現(xiàn)高阻狀態(tài),而對下一級電路呈現(xiàn)低阻狀態(tài),常用于中間級,以隔離前后級電路,消除它們之間的相互影響。

電壓放大器

負(fù)反饋電壓放大器

運(yùn)放的同向端接地為 0V ,反向端和同向端虛短,所以也是 0V,反向輸入端輸入電阻很高,虛斷,幾 乎沒有電流注入和流出,那么R1和R2相當(dāng)于是串聯(lián)的,流過一個串聯(lián)電路中的每一只組件的電流是相同的,即流過R1的電流和流過R2的電流是相同的。

流過 R1的電流

流過R2的電流

又因?yàn)槠?

所以可以得到其輸出電壓為

所以其放大倍數(shù) Au 就可以得到

正反饋電壓放大器

Vi 與 V- 虛短,則 Vi = V-

因?yàn)樘摱?,反向輸入端沒有電流輸入輸出,通過 R1 和 R2 的電流相等,假設(shè)此電流為 I,則可以得到該電流表達(dá)式:

Vi 等于 R2 上的分壓,即所謂的

由上式可知:

所以其放大倍數(shù) Au 就可以得到

加法器

加法器是指輸出信號是幾個輸入信號之和的放大器。根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的功能,可以將其分為同相加法器和反相加法器。

同相加法器

由于虛斷,同相運(yùn)放輸入端沒有電流流過,所以流過 R1 和 R2 的電流一樣大。同理可知,流過 R3 和R4 的電流也相等。

所以:

又因?yàn)樘摱?,則 V+ = V-

所以可以得到其 Vout 與 V+

反相加法器

由于虛短,V+ = V- = 0 ,i1 + i2 =i3

根據(jù)虛斷以及KCL可知,通過 R1 和 R2 的電流之和等于通過 R3 的電流。

反相輸入求和電路的實(shí)質(zhì)是利用 “虛地 ” 與 “ 虛斷” 的特點(diǎn),通過各路輸入電流相加的放法來實(shí)現(xiàn)輸入電壓的相加。

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