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德州儀器:什么是運算放大器?

2020年03月20日 16:16 ? 次閱讀

許多教材和參考指南將運算放大器含羞草(運放)定義為可以執行各種功能或操作(如放大、加法和減法)的專用(IC)。雖然我同意這個定義,但仍需注重芯片的輸入引腳的電壓。

當輸入電壓相等時,運算放大器含羞草通常在線性范圍內工作,而運算放大器正是在線性范圍內準確地執行上述功能。然而,運算放大器只能改變一個條件來使輸入電壓相等,即輸出電壓。因此,運算放大器的輸出通常以某種方式連接到輸入,這種通常被稱為電壓反饋。

在本文中,我將解釋一個通用電壓反饋運算放大器的基本操作,并請您參閱其他內容以了解更多信息。

  運算放大器設計

圖1描述了運算放大器的標準示意圖符號。有兩個輸入端(IN+, IN-)、一個輸出端(OUT)和兩個電源端(V+, V-)。這些端的名稱可能因制造商而異,甚至單個制造商也可能使用不同的名稱,但它們仍然是相同的五個端。

例如,您可能會看到Vcc或Vdd而不是V+。又或者,您可能會看到Vee或Vss而不是V-。電源的其他標簽會有所不同,因為它們指的是器件內部的類型。例如,當在運算放大器內部使用雙極結型管(BJT)時,電源對應于BJT的集電極和發射極:Vcc和Vee。在運算放大器內部使用場效應晶體管(FET)時,電源標簽與FET的漏極和源極相對應:Vdd和Vss含羞草。如今,許多運算放大器同時包含BJT和FET,因此V+和V-是常見的標簽,與器件內部的晶體管無關。簡言之,不要太在意引腳標簽,只要理解它們的作用即可。

 德州儀器:什么是運算放大器?

  圖1:通用型運算放大器示意圖符號

  等式1表示運算放大器的傳遞函數:

德州儀器:什么是運算放大器?

含羞草   在等式1中,AOL被稱為“開環增益”。在現代運算放大器中,它通常是一個非常大的值(120 dB或1,000,000 V/V)。例如,如果IN+和IN-之間的電壓差僅為1mV,運算放大器將嘗試輸出1000V!在這種配置中,運算放大器不在線性區域內工作,因為輸出不能使輸入彼此相等(記住,理想情況下In+等于In-)。因此,運算放大器需要一種方法來控制開環增益,即通過負反饋來實現。

  圖2描述了作為反饋控制系統一部分的運算放大器。您會注意到輸出OUT通過一個為?的塊反饋到負輸入IN-。?被稱為反饋因子,通常使用來降低輸出電壓。

德州儀器:什么是運算放大器?

  圖2:負反饋運算放大器

  圖3比較了開環運算放大器和負反饋運算放大器。這些TI含羞草NA-?軟件仿真采用的運放是近乎理想的運放,加了電源來限制輸出電壓。注意,對于左側的開環配置,輸出幾乎等于正電源(V+)。這是因為輸入引腳之間有一個很小的差異(100mV)。這種小電壓被開環增益放大,開環增益會強制輸出到其中一個電源電壓。在圖3右側的負反饋或閉環電路中,運算放大器輸出上的分壓器需要200 mV的輸出電壓,以便使反相和同相輸入相等。

德州儀器:什么是運算放大器?

含羞草   圖3:開環(左)與負反饋(右)

含羞草   輸入電壓的放大稱為增益。它是反饋回路中電阻值的函數。等式2描述了圖3中右邊電路的增益方程,這就是所謂的同相放大器。您將看到計算出的輸出電壓與仿真相符。如果您想要了解有關此電路(以及其他常見的運算放大器電路,如緩沖器、同相放大器和差分放大器)的更多信息,您可以下載電子書“模擬工程師電路指南:放大器”。”

德州儀器:什么是運算放大器?

  (2)

  運算放大器的輸出受到電源電壓的限制。圖4是圖3中同相放大器的輸出電壓與輸入電壓的關系圖。注意當輸出接近正負電源時,輸出由于飽和受限。

德州儀器:什么是運算放大器?

含羞草   圖4:同相放大器電路的輸出與輸入電壓

含羞草   由于這個限制,在圖5中可以看到,隨著輸出接近電源,輸入引腳之間的電壓差Vdf增加。只有當輸入幾乎相等時,運算放大器才在線性區域工作。

  德州儀器:什么是運算放大器?

  圖5:同相放大器電路的Vdiff和IN+

  為了更深入地了解運算放大器,請查看我們的模擬課程高精度實驗室。本課程將深入探討運算放大器,并討論輸入失調電壓(Vos)、輸入偏置電流含羞草(IB)和輸入/輸出限制等基本非理想因素。還有一些高級主題講座,如運算放大器帶寬(BW)、壓擺率(SR)、噪聲、共模抑制比(CMRR)、電源抑制比(PSRR)和穩定性。除了講座之外,有些主題還包括動手實驗。為了進行這些實驗,您需要相應的運算放大器評估模塊。

  如果您喜歡DIY一些電路,那么可能會對通用DIY放大器電路評估模塊(用于單通道運放)、雙通道通用DIY放大器電路評估(用于雙通道運放)或封裝轉換評估模塊(可與標準的板或電路試驗板一起使用)感興趣。DIY-EVMs支持不同封裝的運放,并具有許多標準運算放大器電路,如本文所述的同相放大器、反相放大器、緩沖器和濾波器含羞草(包括Sallen-Key和多反饋)。由于雙列直插式封裝(DIP)轉換EVM可以將許多標準的表面貼裝封裝轉換為DIP,以便與電路試驗板一起使用,因此您可以評估任何配置的放大器。

  這就是運算放大器的基本原理:只有當輸入引腳的電壓相等時,運算放大器才是線性的。然而,為了實現這一點,運算放大器只能調整其輸出電壓。輸出擺幅限制會導致輸入電壓差增大,從而導致非線性。

 

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