一、集成運放器特點
優點
高增益(可以配置較高的放大倍數)
輸入阻抗高(對輸入信號影響小)
輸出阻抗低(對后級影響小)
共模抑制比較高,抗干擾能力強
1.1、當工作在線性區
運放器的放大倍數是一個很大的值,工作區指的是這個放大倍數有效的區域,因為一個運放器不可能無限放大(受限于供電電壓和自身組成的元器件特性),所以放大后的輸出電壓有一定的范圍,所以不可能超過這個范圍,工作在這個范圍內,放大倍數有效的區域叫做線性區,而輸出電壓觸及到最大范圍(此時放大倍數已失效,無論輸入輸出相差多大,電壓維持在最大值),叫做非線性區。
兩個重要特點
虛短(理想運放兩端輸入電壓近似相等,即U+ = U-,故有虛短(不是絕對的短路,所以有點虛)的意思)
我們知道運放輸出有如下公式,
轉換得到如下公式,由于放大倍數很大,右邊接近為0,所以得到U+ = U-的結論,即為我們所說的虛短。
一種個人理解,雖然公式是這樣算,我們也可以一種感性的理解,由于運放的放大倍數很大,要想處于非線性區(上面解釋線性區的時候說明了條件),則要求運放兩端輸入電壓壓差不能相差太大,所以就能得到U+約等于 U-,也就是虛短了。
虛斷(理想運放的輸入電流近似等于0,即 I+ = I- = 0)
由于運放的輸入阻抗非常非常大,輸入電壓除以輸入阻抗則接近0,所以運放器的兩端的輸入電流為0,就像斷開一樣,所以叫做虛斷。
1.2、當工作在非線性區
此時輸出只有兩種可能:正最大、負最大。
其實可以當做比較器(一般來說單純做比較器,成本會低些),更常見的是不提供負電壓,則此時的情形是當U+> U-時,輸出最大電壓(主要有運放的供電電壓決定),當U+< U-,輸出0,這兩個一高一低的狀態,可以當做邏輯狀態的1和0。
此時,仍滿足虛斷,但不滿足虛短(看看線性區與非線性區的說明即可)。
二、集成運放器的應用
2.1、反相比例運算 ---- 輸出與輸入相位相反(即方向相反,負變正,正變負),大小成比例(放大或縮小)
反相比例運算的原理圖如下,
得到輸出與輸入的關系如下(推導過程略):其中負號體現了反相這一特性。
R1和Rf根據比例選取,R2一般是近似R1和Rf的并聯值,能夠增加電路的抗干擾能力。
注意: 工作在線性區,公式才有效。
應用:很多設備(單片機等)都只能檢測到正壓,如果要檢測負壓,可以先通過該方法將負壓轉換成正壓,然后檢測。
2.2、同相比例運算
電路原理圖如下:
得到輸出與輸入的關系如下(推導過程見-- 百度百科:同相比例運算電路):
R1和Rf根據比例選取,R2一般是近似R1和Rf的并聯值,能夠增加電路的抗干擾能力。
注意: 工作在線性區,公式才有效。
電壓跟隨器
此外,同相比例運算有一個比較常用的形式:跟隨器。(詳細分析:電壓跟隨器的原理)
這種電路相當于同相放大一倍,那這樣的電路存在的意義是什么?
存在即合理,電壓跟隨器常用作中間級,以 “隔離”前后級之間的影響 ,此時也稱之為緩沖級?;驹磉€是利用它的輸入阻抗高(對輸入信號影響小)和輸出阻抗低(輸出電壓不易被輸出端的負載影響)之特點,在電路中起阻抗匹配的作用。
2.3、反相加法運算
電路如下:
公式如下:
Ri1、Ri2和Rf根據比例選取,R2一般是近似Ri1、Ri2和Rf的并聯值,能夠增加電路的抗干擾能力。
注意: 工作在線性區,公式才有效。
2.4、減法運算
得到如下公式:
當R1=R2, R3=Rf時,得到如下公式:
2.5、積分運算電路
電路如下:
得到輸出的公式:(由虛短虛斷和電容電流計算公式推導)
當輸入信號為直流時,可以得到
其中,t是有限范圍的,不然Uo就會是無窮大(最大能達到運放的供電電壓,或正或負),t大過這個范圍,則保持最大值,范圍如下:
2.6、微分運算電路
輸出公式如下:
2.7、電壓比較器
前面的電路,運放都是工作在線性區,而電壓比較器就是工作在非線性區的一種情況。
構成電壓比較器的電路的條件很簡單:沒有負反饋回路。
輸出只有兩種結果,如下:(當然,如果運放的負電壓輸入端接地,即接入為0V時,下面的-Uo(sat)為0,這也是一種比較常見的形式,畢竟提供負電壓還是有些麻煩的)
輸出的結果有輸入兩端電壓決定,如下:
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