运算放大器的工作原理和基本电路 使用运算放大器的电路设计

时间: 2024-07-13 01:26:32 |   作者: 新闻动态

　　onal Amplifier，简称OP、OPA、OPAMP、运放）是具有很高放大倍数的电路单元，通常结合反馈

　　在多数的常规设计中，个人会使用运放的理想模型，忽略其内部结构。把它当作一个“具有放大作用的元件”，接上电源，便可以让它发挥放大的作用。所谓理想的运放，它的输入阻抗无穷大，输出阻抗为零，如下图所示。

　　理想的运放电路分析有两大重要原则贯穿始终，即“虚短”与“虚断”。“虚短”的意思是正端和负端接近短路，即V+=V-,看起来像“短路”;“虚断”的意思是流入正端及负端的电流接近于零，即I+=I-=0,看起来像断路（因为输入阻抗无穷大）。

　　运算放大器是差分输入、单端输出的极高增益放大器，常用于高精度模拟电路，因此必须精确测量其性能。运算放大器是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器振荡器及电压比较器，大范围的应用于家电、工业和科学仪器领域。

　　在实际应用中，能够最终靠采用具有非常出色输入特性的运算放大器，并进一步提升其性能，使其电压范围、增益精度、压摆率和失真性能均优于原来的运算放大器，以满足多种的需求。

　　有两个输入引脚和一个输出引脚。 –ve 输入称为 反相输入，+ve 输入称为 同相输入 。输入连接到差分放大器，然后是更多差分放大级。

　　在差分放大器中，我们得知了所谓的长尾对。晶体管Q1 和 Q2 是一对非常匹配的FET 或双极晶体管。。它们通过配置为恒流源的晶体管 Q3 连接到 –ve。

　　+ve 和 -ve 输入之间的任何电压差都可能会导致 Q1 和 Q2 的集电极或漏极成比例摆动。这称为运算放大器的开环增益。 Q1 和 Q2 原始增益的任何差异都可能会导致不必要的大输出摆幅。通过添加一些组件以在输入和输出之间提供负反馈，这一切都可以置于我们的控制之下并变得可预测。

　　差分放大后，电平移位级将输出电压摆幅集中在 0V 附近，因为所有级都是直流耦合的。最后，低阻抗输出放大器驱动负载并防止输出的任何变化影响输入。

　　左边的两个端子是输入，右边的端子是输出。请注意，输入端子有不同的标签：加号表示 同相输入端子 ，减号表示 反相输入端子 。

　　双电源运算放大器电路（左侧）使用正电源电压和负电源电压。在单电源配置中（右侧），负电源端子接地。

　　当我们绘制运算放大器时，我们大家常常省略电源端子，因为我们假设该器件连接到电源电压，以便在给定应用的情况下能够正常运行。然而，重要的是要记住运算放大器的输出电压范围受到其电源电压的限制。

　　同相放大器是一种运算放大器电路配置，可产生放大的输出信号。它提供高输入阻抗以及使用运算放大器获得的所有优势。电路图如图1所示：

　　反相放大器(也称为反相运算放大器或反相运算放大器)是一种运算放大器电路，它产生的输出与其输入相差 180 度。来输入信号。在图2中，两个外部电阻器用于创建反馈电路并在放大器两端形成闭环电路。

　　运算放大器作为加法器通过将更多输入连接到反相运算放大器，可以构成加法器电路。加法放大器的电路图如图3所示。

　　差分放大器是一种具有两个输入和一个输出的模拟电路，其输出理想地与两个电压之间的差成正比。这是一个很有用的运算放大器电路，通过添加更多与输入电阻并联的电阻，如图4所示。

　　复合放大器被称为多个运算放大器的组合，这些运算放大器与整个网络的负反馈回路级联在一起。这些反馈回路本质上是负的，因此它们也被称为嵌套反馈放大器。负反馈有助于减少输出的波动。这些波动可能由于输入的变化或外部干扰而发生。系统输出的某些功能被输入到输入，以此来实现负反馈。如图5所示。

　　电路中的电阻一般选择在K欧姆级别，电阻的比值影响增益和偏置，另外，运放的供电电流、频率响应和容性负载驱动能力决定了它们在电路中的具体值。如果用于高频电路，需要降低电阻以获得更好的高频响应，但会增加输入偏置电流，从而增加电源的电流。

　　可以利用运算放大器感测过电流来设计一个简单的过流保护电路，并根据结果驱动Mosfet断开/连接负载与电源。相同的电路图很简单，如图所示。

　　从图中能够准确的看出，MOSFET IRF540N 用于在正常和过载条件下控制负载的开启或关闭。但在关闭负载之前，必须检测负载电流。这是利用分流电阻器R1来完成的，它是一个1欧姆分流电阻器，额定功率为2 瓦。这种测量电流的方法称为分流电阻电流检测。

　　在MOSFET导通状态期间，负载电流流经MOSFET的漏极至源极，最后通过分流电阻流至GND。根据负载电流，分流电阻会产生一个电压降，能够正常的使用欧姆定律计算出该电压降。因此，让我们假设，对于1A 的电流(负载电流)，分流电阻器上的压降为1V，因为V = I x R(V = 1A x1欧姆)。因此，如果将此压降与使用运算放大器的预定义电压作比较，可以检测过流并改变MOSFET的状态以切断负载。

　　运算放大器通常用于执行加、减、乘等数学运算。因此，在该电路中，运算放大器LM358被配置为比较器。根据原理图，比较器比较两个值。第一个是分流电阻器两端的压降，另一个是使用可变电阻器或电位计RV1的预定义电压(参考电压)。RV1充当分压器。分流电阻器上的压降由比较器的反相端检测，并将其与连接在运算放大器同相端的参考电压进行比较。

　　因此，如果检测到的电压小于参考电压，比较器将在输出端产生一个接近比较器VCC的正电压。但是，如果感测电压大于参考电压，比较器将在输出两端产生负电源电压(负电源连接到 GND，因此在这样的一种情况下为0V)。该电压足以打开或关闭MOSFET。

　　这是利用运算放大器的电压控制电流源电路设计。如图所示，现在不是直接连接到负输入的运算放大器的输出，负反馈来自连接在N 沟道MOSFET两端的分流电阻器。运算放大器输出连接在Mosfet 门上。

　　让我们假设，在运算放大器的正输入端提供1V输入。运算放大器将不顾一切代价使负反馈路径为1V。输出将打开MOSFET以在负端子上获得1V。分流电阻的规则是根据欧姆定律产生压降，V= IR。因此，如果1A 电流流过1 欧姆电阻，则会产生 1V压降。

　　运算放大器将使用此压降并获得所需的1V 反馈。现在，如果连接一个需要电流控制才能运行的负载，能够正常的使用该电路并将负载放置在适当的位置。