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學好嵌入式系統(tǒng)電路入門之——運算放大器

作者: 時間:2016-07-26 來源:網(wǎng)絡 收藏

  方便多用途的集成電路 —

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201607/294547.htm

  是一種可以進行數(shù)學運算的放大電路。不僅可以通過增大或減小模擬輸入信號來實現(xiàn)放大,還可以進行加減法以及微積分等運算。所以,運算放大器是一種用途廣泛,又便于使用的集成電路。

  

 

  圖1:運算放大器的電路符號

  如圖1所示,運算放大器的電路符號有正相輸入端Vin(+)和反相輸入端Vin(-)兩個輸入引腳,以及一個輸出引腳Vout。實際上運算放大器還有電源引腳(+電源、-電源)和偏移輸入引腳等,在電路符號上沒有表示出來。

  運算放大器的主要功能是以高增益放大、輸出2個模擬信號的差值。我們將放大2個輸入電壓差的運放稱為差動放大器。當Vin(+)電壓較高時,正向放大輸出。當Vin(-)電壓較高時,負向放大輸出。此外,運算放大器還具有輸入阻抗極大和輸出阻抗極小的特征。

  即使輸入信號的差很小,由于運算放大器有極高的放大倍數(shù),所以,也會導致輸出最大或最小電壓值。因此,常常要加負反饋后使用。下面讓我們來看一個使用了負反饋的放大器電路。

  運算放大器的基本① - 反相放大器電路

  

 

  圖2:反相放大器電路

  如圖2所示,反相放大器電路具有放大輸入信號并反相輸出的功能。“反相”的意思是正、負號顛倒。這個放大器應用了負反饋技術。所謂負反饋,即將輸出信號的一部分返回到輸入,在圖2所示電路中,象把輸出Vout經(jīng)由R2連接(返回)到反相輸入端(-)的連接方法就是負反饋。

  我們來看一下這個反相放大器電路的工作過程。運算放大器具有以下特點,當輸出端不加電源電壓時,正相輸入端(+)和反相輸入端(-)被認為施加了相同的電壓,也就是說可以認為是虛短路。所以,當正相輸入端(+)為0V時,A點的電壓也為0V。根據(jù)歐姆定律,可以得出經(jīng)過R1的I1=Vin/R1。

  另外,運算放大器的輸入阻抗極高,反相輸入端(-)中基本上沒有電流。因此,當I1經(jīng)由A點流向R2時,I1和I2電流基本相等。由以上條件,對R2使用歐姆定律,則得出Vout=-I1×R2。I1為負是因為I2從電壓為0V的點A流出。換一個角度來看,當反相輸入端(-)的輸入電壓上升時,輸出會被反相,向負方向大幅度放大。由于這個負方向的輸出電壓經(jīng)由R2與反相輸入端相連,因此,會使反相輸入端(-)的電壓上升受阻。反相輸入端和正相輸入端電壓都變?yōu)?V,輸出電壓穩(wěn)定。

  那么我們通過這個放大器電路中輸入與輸出的關系來計算一下增益。增益是Vout和Vin的比,即Vout/Vin=(-I1×R2)/(I1×R1)=-R2/R1。所得增益為-表示波形反相。

  在這個算公式中需要特別注意的地方是,增益僅由R1和R2電阻比決定。也就是說。我們可以通過改變電阻容易地改變增益。在具有高增益的運算放大器上應用負反饋,通過調(diào)整電阻值,就可以得到期望的增益電路。

  運算放大器的基本② — 正相放大器電路

  

 

  圖3:正相放大器電路

  與反相放大器電路相對,圖3所示電路叫做正相放大器電路。與反相放大器電路最大的不同是,在正相放大器電路中,輸入波形和輸出波形的相位是相同的,以及輸入信號是加在正相輸入端(+)。與反相放大器電路相同的是,兩個電路都利用了負反饋。

  我們來看一下這個電路的工作過程。首先,通過虛短路,正相輸入端(+)和反相輸入端(-)的電壓都是Vin,即點A電壓為Vin。根據(jù)歐姆定律,Vin=R1×I1。另外,運算放大器的兩個輸入端上基本沒有電流,所以I1=I2。而Vout為R1與R2電壓的和,即Vout=R2×I2+R1×I1。整理以上公式可得到增益G,即G=Vout/Vin=(1+R2/R1)。

  如果撤銷這個電路中的R1,將R2電阻變?yōu)?Ω或者短路,則電路變?yōu)樵鲆鏋?的電壓跟隨器。這種電路常用于阻抗變換和緩沖器中。

  輸入值的判定 — 比較器

  Comparator也可稱為比較器,比較兩個電壓的大小,然后輸出1(+側的電源電壓,圖示為VDD)或0(-側的電源電壓)。比較器常常用于檢測輸入是否達到規(guī)定值。也可以用運算放大器來代替比較器,但一般情況下使用專用的比較器IC。比較器和運算放大器使用相同電路符號。

  比較器電路如圖4所示。我們來看一下這個電路的工作過程。首先應該注意,這個電路中沒有正反饋也沒有負反饋。放大Vin和VREF的差值,從Vout輸出。例如,Vin大于VREF時,放大輸出的Vout上升至+側的電源電壓,達到飽和。Vin小于VREF時,輸出Vout下降至-側電源電壓達到飽和。

  通過這個動作,Vin和VREF的比較結果在Vout上輸出。

  實際應用中,一般使圖4電路上產(chǎn)生滯后(用于防止錯誤動作的電壓領域),如圖5,Vin會產(chǎn)生一些噪波,但仍可穩(wěn)定動作。

  

 

  圖4:比較器電路

  

 

  圖5:有滯后效應的比較器電路

  利用正反饋的發(fā)振電路

  負反饋動作中,從輸出返到輸入的信號越大,則輸出越小。于此相反,正反饋中,從輸出返到輸入的信號越大,則輸入越大。當正反饋動作中增益大于1時,電路振蕩。將這種振蕩合理利用到電路中,就形成振蕩電路。

  圖6的不穩(wěn)定多諧振蕩器就是一個振蕩電路。

  

 

  圖6:不穩(wěn)定多諧振蕩器電路

  +側最大值VL和-側最大值VL都是不穩(wěn)定的,兩個數(shù)值不斷變化,因此稱之為不穩(wěn)定。我們來看看這個電路中的動作。首先,輸出Vout經(jīng)由R2反饋至正相輸入端(+),這是一個正反饋電路。然后在輸入Vout上應用R3和C,這是一個積分電路。大家可能會覺得積分電路很難,實際上,我們可以將它簡單理解為,輸出在Vout上的電壓的一部分,緩緩儲存到電容器的一個過程電路。在初始狀態(tài)中,通過正反饋電路Vout迅速增大并達到最大值(VL)。

  然后,通過R3和C構成的積分電路,緩緩增加反相輸入端(-)。經(jīng)過一定時間,正相輸入端(+)的電壓超過反相輸入端(-)電壓,相當于在差動輸入上輸入負電壓,則Vout在負側上迅速增大達到-VL。Vout變?yōu)樨?,通過R3和C構成的積分電路,反相輸入端(-)電壓緩緩增大。經(jīng)過一定時間后,反相輸入端電壓超過正相輸入端(+)的電壓,相當于在差動輸入上輸入了正電壓,則Vout向正方向迅速變化。這個過程不斷重復,在Vout交替出現(xiàn)VL和-VL,從而實現(xiàn)振蕩電路動作。



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