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本文介绍: 运算放大器(Operational Amplifier), 简称运放, 是一种直流耦合, 差模输入, 单端输出(Differential-in, single–ended output)的高增益电压放大器件. 运放能产生一个比输入端电势差大数十万倍的输出电势. 因为刚发明时主要用于加减法等运算电路中, 因而得名运算放大器.

关于运算放大器

运算放大器(Operational Amplifier), 简称运放, 是一种直流耦合, 差模输入, 单端输出(Differential-in, single-ended output)的高增益电压放大器件. 运放能产生一个比输入端电势差大数十万倍的输出电势. 因为刚发明时主要用于加减法等运算电路中, 因而得名运算放大器.

运放的基本特性

通常使用运放时, 会将输出端与反相输入(inverting input)连接, 形成负反馈组态, 原因是运算放大器的电压增益非常大, 使用负反馈可保证电路的稳定运作. 而在需要产生震荡信号的系统中, 可以使用运放组成正反馈组态.

常见应用

分析运放电路, 主要看这几处

  1. 有没有信号输入, 接入在哪一端, 同相输入同相输出, 反相输入反相输出
  2. 反馈一般都有, 接到哪一端, 放大, 恒压或恒流会接入反相, 而脉冲和方波等振荡电路会接入同相
  3. 有没有参考基准, 接入哪一端, 和反馈是不是在同一个接入

电压跟随器

这个电路直接将输出作为负反馈, 因为运放的同相输入反相输入电压趋于一致, 当

V

i

n

V_{in}

Vin​ 发生变化时, 为了保持

V

−

V-

V− 与

V

+

V+

V+ 一致, 需要

V

o

=

V

i

n

V_{o} = V_{in}

Vo​=Vin​, 就使得输出电压与输入电压一致, 形成了电压跟随的效果. 在实际应用中, 可以用这种形式将电压转换为电流. 由于

V

+

V+

V+ 对外呈现高阻态(输入电阻从几百KR到几百MR甚至GR), 这种电路可以传递驱动能力非常弱的电压信号.

同相信号放大

放大直流信号是运放最常见的使用场景

这个电路的信号输入在

V

+

V+

V+,

V

−

V-

V− 将输出电压分压后接入作为负反馈, 同相不变, 反相变化.

根据运放的同相输入反相输入电压趋于一致的原则, 为保持

V

+

V+

V+ 与

V

−

V-

V− 电压相等,

V

o

V_{o}

Vo​ 的电压会趋近于

V

o

=

V

i

n

∗

R

1

+

R

2

R

1

V_{o} = V_{in} * frac{R_1 + R_2}{R_1}

Vo​=Vin​∗R1​R1​+R2​​ , 当

R

1

=

1

M

R

R_1 = 1MR

R1​=1MR,

R

2

=

10

K

R

R_2 = 10KR

R2​=10KR 时, 就会产生100倍的放大.

信号反相器, 反相放大

这个电路的同相输入接地, 同相不变, 反相变化

V

+

V+

V+ 为固定的0V, 因此输出仅受

V

−

V-

V− 处分压的结果影响. 因为

V

−

V-

V−的稳态电压就是 0V, 当输入电压为

V

i

n

V_{in}

Vin​时, 为使

V

−

=

0

V- = 0

V−=0, 需要

V

o

u

t

=

V

i

n

∗

(

−

R

f

R

i

)

V_{out} = V_{in} * (-frac{R_f}{R_i})

Vout​=Vin​∗(−Ri​Rf​​) , 对输入信号产生了反向的放大.

电压基准,稳压电源

这个电路的同相输入和反相输入都是固定的

MC1403 是一个精确输出2.5V电压的电压基准芯片, 电流驱动能力只有10mA. 通过上面的电路, 可以增大电流驱动能力, 如果调节

R

1

R_1

R1​ 和

R

2

R_2

R2​ 的比例, 就可以将输出的电压基准范围扩大到 2.5V ~

V

C

C

V_{CC}

VCC​

恒流电源

基于运放的最简单的恒流电路. 同相不变, 反相不变

V

+

V+

V+ 通过电阻分压得到了固定的电压,

V

−

V-

V− 端通过 1KR 电阻接地, 因为运放的同相输入反相输入电压一致, 所以1KR电阻的电流是固定的, 带来的效果就是无论负载 LOAD 如何变化, 电流固定, 形成了恒流的效果.

上面电路的电流输出能力是很弱的, 一般放大器的输出短路电流只有40 ~ 60 mA. 可以使用MOS管或三极管形成灌电流, 提升电路的电流输出能力.

使用PNP三极管的电路

通过并联多个三极管(或MOS管)进一步提升驱动能力

脉冲输出

因为反馈同时接入同相和反相输入, 这不是稳态电路. 对于左侧的电路

  • 当

    V

    o

    >

    V

    −

    V_o > V-

    Vo​>V− 时, 二极管导通, 往电容充电, 当电容电压与

    V

    o

    V_o

    Vo​ 相等时, 二极管截止, 电容通过

    R

    2

    R_2

    R2​放电, 之后电压回落, 会导致二极管再次导通, 持续循环

  • 当

    V

    −

    V-

    V− 上升到高于

    V

    +

    V+

    V+时,

    V

    o

    V_o

    Vo​ 变为低电平, 当

    V

    −

    V-

    V− 下降到低于

    V

    +

    V+

    V+时,

    V

    o

    V_o

    Vo​ 变为高电平

对于右侧的电路, 区别仅在于

V

−

V-

V− 上升到

V

o

V_o

Vo​ 变为低电平后, 是通过上面的二极管往

V

o

V_o

Vo​ 放电

方波输出

从上方右图可以看到, 电流的正反向其实是相通的, 两个电阻只是控制了充电和放电的速度, 如果将并联的电阻和二极管组合合并, 使得充放电使用同样的电阻, 就可以得到方波输出

常用型号

  • LM741, 输入阻抗 6MR, 输出电流 40mA, 带宽 1.5MHz
  • LM358, 供电 32V, 输入阻抗 10MR, 输出电流 60mA, 带宽 1MHz
  • LM324, 供电 32V, 输出电流 60mA, 带宽 1MHz
  • NE5532, 供电 15V, 输入阻抗 300KR, 输出阻抗 0.3R, 输出电流 60mA, 带宽 10MHz
  • OP07, 供电 15V, 输入阻抗 50MR, 输出阻抗 60R, 带宽: 0.6MHz
  • LM339

参考

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