搜索16個問答講透了運算放大器的秘密
2017-04-13 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
運算放大器的基礎(chǔ)原理
運算放大器具有兩個輸入端和一個輸出端,如圖1-1所示,其中標有“+”號的輸入端為“同相輸入端”而不能叫做正端),另一只標有“一”號的輸入端為“反相輸入端”同樣也不能叫做負端,如果先后分別從這兩個輸入端輸入同樣的信號,則在輸出端會得到電壓相同但極性相反的輸出信號:輸出端輸出的信號與同相輸人端的信號同相,而與反相輸入端的信號反相。
圖1-1:運算放大器的電路符號
運算放大器所接的電源可以是單電源的,也可以是雙電源的,如圖1-2所示。運算放大器有一些非常有意思的特性,靈活應(yīng)用這些特性可以獲得很多獨特的用途,總的來說,這些特性可以綜合為兩條:
1、運算放大器的放大倍數(shù)為無窮大。
2、運算放大器的輸入電阻為無窮大,輸出電阻為零。
圖1-2:運可接的兩種電源算放大器
現(xiàn)在我們來簡單地看看由于上面的兩個特性可以得到一些什么樣的結(jié)論。
首先,運算放大器的放大倍數(shù)為無窮大,所以只要它的輸入端的輸入電壓不為零,輸出端就會有與正的或負的電源一樣高的輸出電壓本來應(yīng)該是無窮高的輸出電壓,但受到電源電壓的限制。
準確地說,如果同相輸入端輸入的電壓比反相輸入端輸入的電壓高,哪怕只高極小的一點,運算放大器的輸出端就會輸出一個與正電源電壓相同的電壓;反之,如果反相輸入端輸入的電壓比同相輸人端輸入的電壓高,運算放大器的輸出端就會輸出一個與負電源電壓相同的電壓(如果運算放大器用的是單電源,則輸出電壓為零)。
其次,由于放大倍數(shù)為無窮大,所以不能將運算放大器直接用來做放大器用,必須要將輸出的信號反饋到反相輸入端(稱為負反饋)來降低它的放大倍數(shù)。
如圖1-3中左圖所示,R1的作用就是將輸出的信號返回到運算放大器的反相輸入端,由于反相輸入端與輸出的電壓是相反的,所以會減小電路的放大倍數(shù),是一個負反饋電路,電阻Rf也叫做負反饋電阻。
圖1-3:運算放大器的反饋電阻接法(左:反相接法 ,右:同相接法)
還有,由于運算放大器的輸入為無窮大,所以運算放大器的輸入端是沒有電流輸入的——它只接受電壓。同樣,如果我們想象在運算放大器的同相輸入端與反相輸入端之間是一只無窮大的電阻,那么加在這個電阻兩端的電壓是不能形成電流的,沒有電流,根據(jù)歐姆定律,電阻兩端就不會有電壓,所以我們又可以認為在運算放大器的兩個輸人端電壓是相同的(電壓在這種情況就有點像用導線將兩個輸入端短路,所以我們又將這種現(xiàn)象叫做“虛短”)。
快速熟悉運算放大器基礎(chǔ)
為了更好的學習了解運算放大器,下面16個問答可以快速熟悉運算放大器基礎(chǔ)。
1、一般反相/同相放大電路中都會有一個平衡電阻,這個平衡電阻的作用是什么呢?
(1) 為芯片內(nèi)部的晶體管提供一個合適的靜態(tài)偏置。
芯片內(nèi)部的電路通常都是直接耦合的,它能夠自動調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點,但是,如果某個輸入引腳被直接接到了電源或者地,它的自動調(diào)節(jié)功能就不正常了,因為芯片內(nèi)部的晶體管無法抬高地線的電壓,也無法拉低電源的電壓,這就導致芯片不能滿足虛短、虛斷的條件,電路需要另外分析。
(2)消除靜態(tài)基極電流對輸出電壓的影響,大小應(yīng)與兩輸入端外界直流通路的等效電阻值平衡,這也是其得名的原因。
2、同相比例運算放大器,在反饋電阻上并一個電容的作用是什么?
(1)反饋電阻并電容形成一個高通濾波器, 局部高頻率放大特別厲害。
(2)防止自激。
3、運算放大器同相放大電路如果不接平衡電阻有什么后果?
燒毀運算放大器,有可能損壞運放,電阻能起到分壓的作用。
4、在運算放大器輸入端上拉電容,下拉電阻能起到什么作用?
(1)是為了獲得正反饋和負反饋的問題,這要看具體連接。比如我把現(xiàn)在輸入電壓信號,輸出電壓信號,再在輸出端取出一根線連到輸入段,那么由于上面的那個電阻,部分輸出信號通過該電阻后獲得一個電壓值,對輸入的電壓進行分流,使得輸入電壓變小,這就是一個負反饋。因為信號源輸出的信號總是不變的,通過負反饋可以對輸出的信號進行矯正。
5、運算放大器接成積分器,在積分電容的兩端并聯(lián)電阻RF 的作用是什么?
泄放電阻,用于防止輸出電壓失控。
6、為什么一般都在運算放大器輸入端串聯(lián)電阻和電容?
如果你熟悉運算放大器的內(nèi)部電路的話,你會知道,不論什么運算放大器都是由幾個幾個晶體管或是MOS 管組成。在沒有外接元件的情況下,運算放大器就是個比較器,同相端電壓高的時候,會輸出近似于正電壓的電平,反之也一樣……但這樣運放似乎沒有什么太大的用處,只有在外接電路的時候,構(gòu)成反饋形式,才會使運放有放大,翻轉(zhuǎn)等功能……
7、運算放大器同相放大電路如果平衡電阻不對有什么后果?
(1)同相反相端不平衡,輸入為0 時也會有輸出,輸入信號時輸出值總比理論輸出值大(或小)一個固定的數(shù)。
(2)輸入偏置電流引起的誤差不能被消除。
8、理想集成運算放大器的放大倍數(shù)是多少輸入阻抗是多少其同相輸入端和反相輸入端之間的電壓是多少?
(1) 放大倍數(shù)是無窮大,輸入阻抗是無窮小,同向輸入和反向輸入之間電壓幾乎相同(不是0哦!!!比如同向端為10V,反向端為9.999999V),剛考完電工,還記得!
9、請問,為什么理想運算放大器的開環(huán)增益為無限大?
(1)實際的運放開環(huán)增益達到10 萬以上,非常非常大所以把實際運算放大器理的開環(huán)增益想化為無窮大,并由此導出虛地。
(2)導出虛地只是針對反相放大器而言吧。
在書上看見:運算放大器的開環(huán)增益無窮大,可以使得我們在設(shè)計電路的時候,閉環(huán)增益可以不受開環(huán)增益的限制,而僅僅取決于外部元件。就是犧牲大的開環(huán) 增益換取閉環(huán)增益的穩(wěn)定性。
(3)導出虛地是針對運放在負反饋接法時不僅僅是反相放大器;正反饋時沒有虛地。
(4)很好理解假設(shè)增益很小, 則,對于一個輸出電壓,加在運放兩端的電壓的差值相對較大,如果接成負反饋狀態(tài),就會帶來運放兩端的電壓的不一致,從而引起放大的誤差 。
(5)運放“虛短” 的實現(xiàn)有兩個條件:
1 ) 運放的開環(huán)增益A 要足夠大;
2 ) 要有負反饋電路。
先談第一點,我們知道,運放的輸出電壓Vo 等于正相輸入端電壓與反相輸入端電壓之差Vid乘以運放的開環(huán)增益A。即 Vo = Vid * A = (VI+ - VI-) * A ( 1 )由于在實際中運放的輸出電壓不會超過電源電壓,是一個有限的值。
在這種情況下,如果A很大,(VI+ - VI-)就必然很小;如果(VI+ - VI-) 小到某程度,那么我們實際上可以將其看作0,這個時候就會有VI+ = VI-,即運放的同相輸入端的電壓與反相輸入端的電壓相等,好像連在一起一樣,這我們稱為“虛短路” 。注意它們并未真正連在一起,而且它們之間還有電阻,這一點一定要牢記。
在上面的討論中,我們是怎樣得到“虛短” 的結(jié)果的呢?
我們的出發(fā)點是公式 ( 1 ) ,它是運放的特性,是沒有問題的,我們可以放心。然后,我們作了兩個重要的假設(shè),一個是運放的輸出電壓大小有限,這沒有問題,運放輸出當然不會超過電源, 因此這個假設(shè)絕對成立,所以以后我們就不提了。第二個是說運放開環(huán)增益A 很大。
普通運放的A 通常都達10 的6、7 次方甚至更高,這個假設(shè)一般沒問題,但不要忘記,運放的實際開環(huán)增益還與其工作狀態(tài)有關(guān),離開了線性區(qū),A 就不一定大了,所以,這第二個假設(shè)是有條件的,我們也先記住這一點。
因此我們知道,當運放的開環(huán)增益A 很大時,運放可以有“虛短” 。但這只是可能性,不是自動就實現(xiàn)的,隨便拿一個運放說它的兩個輸入端是“虛短” 沒有人會相信。“虛短” 要在特定的電路中才能實現(xiàn)。
“虛短” 存在的條件是:
1 ) 運放的開環(huán)增益A 要足夠大;
2 ) 要有負反饋電路。
明白了“虛短” 得條件后我們就很容易判斷什么時候能什么時候不能用“虛短” 作電路分析了。在實際上,條件( 1 ) 對絕大多數(shù)運放都是成立的,關(guān)鍵要看工作區(qū)域。
如果是書上的電路,通過計算判斷;如果是實際電路,用儀器量運放輸出電壓是否合理即可知道。與“虛短” 相關(guān)的還有一種情況叫“虛地” ,就是有一個輸入端接地時的“虛短” ,不是新情況。
有些書上說要深度負反饋條件下才能用“虛短” ,我覺得這不準確,我認為這樣說的潛思考是,在深度負反饋的情況下運放更可能工作在線性區(qū)。但這不是絕對的,輸入信號太大時,深度負反饋的運放照樣進入飽和。
所以,應(yīng)該以輸出電壓值判斷最可靠。
10、將輸入信號直接加到同相輸入端,反相輸入端通過電阻接地,為什么U_ = U+ =Ui≠0?不是虛地嗎?
問題補充:構(gòu)成虛短要滿足一定的條件。那構(gòu)成虛地也要滿足一定的條件?是什么?為什么?
(1) 在同相放大電路中,輸出通過反饋的作用,使得U(+)自動的跟蹤U(-),這樣U(+)-U(-)就會接近于0。 好像兩端短路,所以稱“虛短”。
(2)由于虛短現(xiàn)象和 運放的輸入電阻很高,因而流經(jīng)運放兩個輸入端的電流很小,接近于0,這個現(xiàn)象叫“虛斷”(虛斷是虛短派生的,不要以為兩者矛盾)
(3)虛地是在反相運放電 路中的,(+)端接地,(-)接輸入和反饋網(wǎng)絡(luò)。由于虛短的存在,U(-)和U(+)[電位等于0]很接近,所以稱(-)端虛假接地——“虛地”
(4)關(guān) 于條件:虛短是同相放大電路 閉環(huán)(簡單說就是有反饋)工作狀態(tài)的重要特征,虛地是反相放大電路在閉環(huán)工作狀態(tài)下的重要特征。 注意理解虛短的條件(如“接近相等”),應(yīng)該就ok 。
11、總覺得運算放大器這個模型有點蹊蹺,首先就是“虛短”,因為“虛短”,當運算放大器接成同相放大器時,兩輸入端的電位是相同的,這時如果測量輸入端的波形,將是同樣的,這就好比是共模信號,其實,在兩輸入端上還是有微小的差模信號,只是一般儀器測不出來,可是,這樣一來,由于“虛短”就人為(因為虛短是深度負反饋的結(jié)果,是人為的)的增大了兩輸入端的共模信號,這樣就對運算放大器的 性能構(gòu)成挑戰(zhàn)。為什么運算放大器要這么使用?
(1)同相放大器的共模信號比反相放大器大得多對共模抑制比要求高。
(2)我對“同、反 相兩種放大器的共模信號抑制能力”的看法運放共模信號抑制比的優(yōu)劣(db值)主要取決于運放內(nèi)部(僅僅是內(nèi)部)差動放大器的對稱程度及增益。這很明顯,沒有任何運放提供其共模抑制比的同時,附加了外部電路的結(jié)構(gòu)條件。
對于單端輸入,無論是同相還是反相,其等效共模值均是輸入值的一半。但因同相放大的輸入阻抗通常大于反相放大,其抗干擾的能力當然差些。
如前述,反相輸入時,反相端電壓幾乎為零,所以差分對管集電極電壓只有一管變化。同相輸入時,反相端的電壓和同相端電壓相等,故共模電壓和輸入電壓等值!也就是說所以差分對管集電極電壓除了有兩管有同時朝不同方向變化的部分外還有 朝同方向變化的量,這就是共模輸出電壓。
它和其中某一管的電壓是同相相加的。因此容易導致該管趨于飽和(或者截止),所幸共模電壓的放大只是差模放大倍數(shù)的數(shù)萬分之一。
上面所述,并不說明該放大器的差模輸入和共模輸入的共模抑制抑制比不同!應(yīng)該是同相輸入會附加一個與輸入量等值的共模信號!因此對于輸入信號較大時要慎用同相放大模式。
12、為什么運放一般要反比例放大?
反相輸入法與同相輸入法的重大區(qū)別是:
反相輸入法,由于在同相端接一個平衡電阻到地,而在這個電阻上是沒有電流的(因為運算放大器的輸入電阻極大),所以這個同相端就近似等于地電位,稱為“虛 地”,而反相端與同相端的電位是極接近的,所以,在反相端也存在“虛地”。
有虛地的好處是,不存在共模輸入信號,即使這個運算放大器的共模抑制比不高,也保證沒有共模輸出。而同相輸入接法,是沒有“虛地”的,當使用單端輸入信號時,就會產(chǎn)生共模輸入信號,即使使用高共模抑制比的運算放大器,也還是會有共模輸出的。
所以,一般在使用時,都會盡量采用反相輸入接法。
13、有的運放上電后即使不輸入任何電壓也會有輸出,而且輸出還不小,所以經(jīng)常用VCC/2 作為參考電壓。
(1)運放在沒有任何輸入的情況下有輸出, 是由運放本身的設(shè)計結(jié)構(gòu)不對稱造成的,即產(chǎn)生了我們常說的輸入失調(diào)電壓Vos,它是運放的一個很重要的性能參數(shù)。運放常用VCC/2 作為參考電壓 是因為該運放處在單電源工作狀態(tài)下,在此時運放真正的參考是VCC/2,故常在運放正端提供一個VCC/2 的直流偏置,在正負雙電源供電時還是常以地為參考的。
運放的選擇需注意很多事項,在不是很嚴格的條件下,常需考慮運放的工作電壓、輸出電流、功耗、增益帶寬積、價格等。當然,當運放在特殊條件下使用時,還需考慮不同的影響因子。
14、為什么由運算放大器組成的放大電路一般都采樣反相輸入方式?
(1)反相輸入法與同相輸入法的重大區(qū)別是:
反相輸入法,由于在同相端接一個平衡電阻到地,而在這個電阻上是沒有電流的(因為運算放大器的輸入電阻極大), 所以這個同相端就近似等于地電位,稱為“虛地”,而反相端與同相端的電位是極接近的,所以,在反相端也存在“虛地”。
有虛地的好處是,不存在共模輸入信號,即使這個運算放大器的共模抑制比不高,也保證沒有共模輸出。而同相輸入接法,是沒有“虛地”的,當使用單端輸入信號時,就會產(chǎn)生共模輸入信號,即使使用高共模抑制比的運算放大器,也還是會有共模輸出的。所以,一般在使用時,都會盡量采用反相輸入接法。
(2)正相是振蕩器,反相才能穩(wěn)定放大器,接入負反饋
(3)從原理上看,接成同相比例放大電路是可以的。但實際應(yīng)用時被放大的信號(也就是差模信號)往往很小, 此時就要注意抑制噪聲(通常表現(xiàn)為共模信號)。而同相比例放大電路對共模信號的抑制能力很差,需要放大的信號會被淹沒在噪聲中,不利于后期處理。所以一般 選擇抑制能力較好的反相比例放大電路。
15、放的重要特性?
(1)如果運放兩個輸入端上的電壓均為0V,則輸出端電壓也應(yīng)該等于0V。但事實上,輸出端總有一些電壓,該電壓稱為失調(diào)電壓VOS。如果將輸出端的失調(diào)電壓除以電路的噪聲增益,得到結(jié)果稱為輸入失調(diào)電壓 或輸入?yún)⒖际д{(diào)電壓。這個特性在數(shù)據(jù)表中通常以VOS 給出。
VOS 被等效成一個與運放反相輸入端串聯(lián)的電壓源。必須對放大器的兩個輸入端施加差分電壓,以 產(chǎn)生0V輸出。
(2)理想運放的輸入阻抗無窮大,因此不會有電流流入輸入端。但是,在輸入級中使用雙極結(jié)晶體管(BJT)的真實運放需要一些工作電流,該電流稱為偏置電流(IB)。通常有兩個偏置電流:IB+和IB-,它們分別流入兩個輸入端。IB 值的范圍很大,特殊類型運放的偏置電流低至 60fA(大z每3μs 通過一個電子),而一些高速運放的偏置電流可高達幾十mA。
(3)第一款單片運放正常工作所需的電源電壓范圍為±15V。 如今,由于電路速度的提高和采用低功率電源(如電池)供電,運放的電源正在向低電壓方向發(fā)展。盡管運放的電壓規(guī)格通常被指定為對稱的兩極電壓 (如±15 V),但是這些電壓卻不一定要求是對稱電壓或兩極電壓。
對運放而言,只要輸入端被偏置在有源區(qū)域內(nèi)(即在共模電壓范圍內(nèi)),那么±15V 的電源就相當 于+30V/0V 電源,或者+20V/–10V 電源。運放沒有接地引腳,除非在單電源供電應(yīng)用中把負電壓軌接地。運放電路的任何器件都不需要接地。
高速電路的輸入電壓擺幅小于低速器件。器件的速度越高,其幾何形狀就越小,這意味著擊穿電壓就越低。
由于擊穿電壓較低,器件就必須工作在較低電源電壓下。如今,運放的擊穿電壓一般為±7V 左右,因此高速運放的電源電壓一般為±5V,它們也能工作在+5V 的單電源電壓下。
對通用運放來說,電源電壓可 以低至+1.8V。這類運放由單電源供電,但這不一定意味必須采用低電源電壓。單電源電壓和低電壓這兩個術(shù)語是兩個相關(guān)而獨立的概念。
16、運算放大器的放大原理是什么?
運算放大器核心是一個差動放大器。就是兩個三極管背靠背連著。共同分擔一個橫流源的電流。三極管一個是運放的正向輸入,一個是反向輸入。正向輸入的三極管放大后送到一個功率放大電路放大輸出。這樣,如果正向輸入端的電壓升高,那么輸出自然也變大了。
如果反相輸入端電壓升高,因為反相三級管和正向三級管共同分擔了一個恒流源。反向三 級管電流大了,那正向的就要小,所以輸出就會降低。因此叫反向輸入。當然,電路內(nèi)部還有很多其它的功能部件,但核心就是這樣的。
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