集成運放是一個多級電路,內部極其復雜,通常在電路設計中我們只需要掌握集成運放的相關特性即可,內部的具體電路無需過度考慮,學習了解集成運放的特性,我們可以通過一些典型的運放電路分析來了解它們的相關特性。
在分析運放電路之前,我們要先了解兩個重要概念:虛短和虛斷。
虛短的概念:
理想的運放電路正常工作時,同相端的電位V+與反向端的V-近似相等,但實際上兩端并沒有短接,所以稱這種關系叫虛短??梢赃M一步引出虛地的概念,如圖,同向端接地,導致反向端具有地電位,但方向端沒有接地,這就是虛地。
虛斷的概念:
理想的運放電路正常工作時,輸入電阻無窮,輸入電流就近似為0。兩端上都沒有電流,但實際上兩個輸入端是連接著的,這就是虛斷的概念。如下圖,根據虛斷的概念,可以算電流關系:I1=Ii+I2 I1≈I2(Ii≈0)
在了解完虛短和虛斷兩個概念后,我們再進一步通過運放電路來了解集成運放的相關特性。
反相比例運放:
從圖中可以看到該電路的結構特點:
·信號反向端輸入,輸出電壓Vout與輸入電壓Vi之間存在反相位關系
·R2是反饋電阻,其作用是引入深度負反饋來穩定電路的工作
·R3是平衡電阻,用來維持集成運放輸入級差分電路對稱性能,通常R3=R1//R2
由虛短概念:V- ≈ V+=0
由虛斷概念: i1 ≈ i2
由電位關系: i1=(Vi-V-)/R1 = Vi/R1
i2=(V- -Vo)/R2 = -Vo/R2
Vi/R1 = -Vo/R2
Vo = -(R2/R1)Vi
同相比例運放:
從圖中可以看到該電路的結構特點:
·信號同相端輸入,輸出電壓Vout與輸入電壓Vi之間存在同相位關系
·輸入信號通過一個分壓電路加到同向端,圖中R3和R4同相端沒有電流
由虛短概念:V- ≈ V+
由虛斷概念: i1 ≈ i2
由電位關系: i1=(V- -0)/R1 = V+/R1
i2=(Vo -V-)/R2 = (Vo-V+)/R2
V+/R1 = (Vo-V+)/R2
Vo = (1+R2/R1)V+
由V+=(R4/(R3+R4))Vi
有 Vo=(1+R2/R1)(R4/(R3+R4))Vi
電壓跟隨器:
從圖中可以看到該電路的結構特點:
·信號同相端輸入
·反相輸入端與輸出端用導線連接。
由虛短概念可以得到電路輸入輸出關系:
Vo = V- ≈V+ = Vi
Vo = Vi
電壓跟隨器在電路中的作用,只是跟隨性能會更好、隔離效果更好(輸入電阻更小)、帶負載能力更強(輸出電阻更小)。
電壓比較器
如圖是一個同相電壓比較器,參考電壓VREF連接在運放反相端,外加信號Vi從同相端輸入。旁邊是理想狀態下電路的電壓傳輸特性,可以看到,當Vi > VREF時,電路輸出正飽和電壓VOH,當Vi < VREF時,電路輸出負飽和電壓VOL。當然,也可以把輸入信號和參考電壓的連接關系交換,就構成了反相電壓比較器,當然,電壓傳輸特性也相反。
總結:信號的基本運放還有很多,包括加法、減法、乘法、積分、還有微分等,就不再一一進行介紹,構成信號運算和處理電路的核心器件就是集成運算放大器,所以,學好它們的每一個運放特性在以后的電路設計中都至關重要。
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