1 運算放大器(OPAMP)
整合運算放大器有同向輸入端和反向輸入端,具體如下圖所示;
輸出電壓
滿足關係
,整合運放最終放大的是差模訊號,在沒有引入反饋的情況下,電壓的放大倍數為
差模開環放大倍數
,這裡記作
,因此當運放工作線上性區域的時候,滿足
整合運放的
電壓傳輸特性
如下圖所示;
工作在
線性區
的時候,則曲線的斜率為電壓的放大倍數;
工作在非線性區的時候,即處於飽和狀態的情況下,輸出電壓為
或
;
2 虛短和虛斷
虛短
前面提到,整合運算放大器的開環放大倍數很大,一般通用型的運算放大器的開環電壓放大倍數都在
80 dB
以上,但是運放的輸出電壓是有限制的,一般
在
10V~14V
,然而運放的差模輸入電壓不足
1 mV
,因此可以輸入兩端可以近似等電位,就相當於
短路
。 開環電壓放大倍數越大,兩輸入端的電位越接近相等,這種特性稱之為虛短。
虛斷
整合運算放大器具有輸入高阻抗的特性,一般同向輸入端和反向輸入端的輸入電阻都在
1MΩ
以上,所以輸入端流入運放的電流往往小於
1uA
,遠小於輸入端外電路的電流。所以這裡通常可把運放的兩輸入端視為開路,並且運放的輸入電阻越大,同向和反向輸入兩端越接近開路。在運放處於線性狀態時,根據這個特性可以把兩輸入端視為等效開路,簡稱虛斷。
3 反向放大器
3。1 典型電路
3。2 放大倍數
根據
虛短和虛斷
,可以求出運算放大器的放大倍數:
假設流過電阻
的電流為
;流過電阻
的電流為
;
假設運算放大器同向輸入端電壓為
,反向輸入端電壓為
;
根據
虛短
,可以得到:
根據
虛斷
,可知電阻
和
為串聯關係:則滿足:
最終求代數式可以得到:
3。3 模擬結果
為 頻率
50Hz
,幅值為
500mV
的正弦波,具體設定如下圖所示;*[HTML]:
增益
;
所以輸入輸出關係為:
模擬結果如下圖所示;
4 同向放大器
4。1 雙電源
同向放大器同樣可以使用虛短虛斷去分析;具體電路如下圖所示;
推導過程:
假設流過電阻
的電流為
;流過電阻
的電流為
;
假設運算放大器同向輸入端電壓為
,反向輸入端電壓為
;
根據
虛短
,可以得到:
根據
虛斷
,可知電阻
和
為串聯關係:則滿足:
最終求解得到:
4。2 雙電源同向放大器模擬結果
為 頻率
50Hz
,幅值為
500mV
的正弦波,具體設定如下圖所示;
增益
;
所以輸入輸出關係為:
模擬結果如下圖所示;
4。3 單電源
與上面雙電源供電不同,如果運算放大器使用單電源,為了輸出正常,如果使用單電源供電,非反向放的OP放大器必須與地線關聯,如果
是接地,那
輸入端需要有
的壓降,這個可以透過電阻分壓得到。單電源的電路如下圖所示;
這裡增加了兩個
20KΩ
的分壓,在
端增加了
2.5V
的輸入電壓。
4。4 雙電源同向放大器模擬結果
輸入與上面的實驗相同此處不再贅述;
增益 ;
所以輸入輸出關係為:
5 總結
本文分析的運算放大器都是比較常用且簡單的型別,當前只給出瞭如何計算輸入和輸出的關係,如果作為硬體設計人員,還需要關注更多的細節,更多運算放大器的指標,失調電壓,溫漂等等。