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運算放大器和常見運放電路

2023-12-02 06:00:54

關於運算放大器

運算放大器(Operational Amplifier), 簡稱運放, 是一種直流耦合, 差模輸入, 單端輸出(Differential-in, single-ended output)的高增益電壓放大器件. 運放能產生一個比輸入端電勢差大數十萬倍的輸出電勢. 因為剛發明時主要用於加減法等運算電路中, 因而得名運算放大器.

運放的基本特性

  • 運算放大器有兩個輸入: 反相輸入(-), 同相輸入(+). 反相和正相是輸出的變化相對於輸入的變化而言的.
    • 如果同相輸入的電壓高於反相輸入的電壓, 輸出高電平
    • 如果反相輸入的電壓高於同相輸入的電壓, 輸出低電平
  • 運放的輸入端都是高阻態, 電流非常小或者幾乎沒有電流, 所以訊號接入後, 對訊號電壓幾乎沒有影響.
  • 當同相輸入(+)和反相輸入(-)的電壓有差異時, 輸出電壓總是更偏向同相輸入(+)這端的電壓. Output voltage is always more like the voltage at the non inverting input (+), than the voltage at the inverting input (-)
  • 不接任何反饋: 輸出電壓只會處於兩種狀態, 接近供電正電壓的高電平或者接近負電壓(接地時負電壓為0)的低電平
    • 如果同相輸入(+)電壓高於反相輸入(-), 輸出高電平
    • 如果同相輸入(+)電壓低於反相輸入(-), 輸出低電平
    • 對於同相放大或比較電路, 參考電壓在反相輸入(-)端, 訊號從同相輸入(+), 訊號電壓的高低和輸出電壓的高低成正比.
    • 對於反相放大或比較電路, 參考電壓在同相輸入(+)端, 訊號從反相輸入(-), 訊號電壓的高低和輸出電壓的高低成反比.
  • 只接入負反饋: 當全部或部分的輸出電壓, 接入到反相輸入(-)時, 稱為接入負反饋. 此時輸出電壓會在供電電壓允許的範圍內自動調節, 直至反相輸入(-)的電壓和正相輸入(+) 的電壓相同.
  • 只接入正反饋: 如果全部或部分的輸出電壓, 接入到同相輸入(+), 則稱為接入正反饋. 因為輸出電壓總是更偏向同相輸入(+)這端, 所以很難通過正反饋讓反相輸入(-)電壓翻轉到同相輸入(+)的另一側.
  • 同時接入正負反饋. 假設初始狀態反相輸入(-)高於同相輸入(+), 產生輸出為低電平, 低電平會降低反相輸入(-)端的電壓, 接近同相輸入(+)端電壓直至超過, 而後因為反相輸入(-)低於同相輸入(+), 輸出切換方向變為高電平, 再次拉高反相輸入(-), 使得反相輸入(-)高於同相輸入(+), 然後無限迴圈.

通常使用運放時, 會將輸出端與反相輸入(inverting input)連線, 形成負反饋組態, 原因是運算放大器的電壓增益非常大, 使用負反饋可保證電路的穩定運作. 而在需要產生震盪訊號的系統中, 可以使用運放組成正反饋組態.

常見應用

分析運放電路, 主要看這幾處

  1. 有沒有訊號輸入, 接入在哪一端, 同相輸入同相輸出, 反相輸入反相輸出
  2. 反饋一般都有, 接到哪一端, 放大, 恆壓或恆流會接入反相, 而脈衝和方波等振盪電路會接入同相
  3. 有沒有參考基準, 接入哪一端, 和反饋是不是在同一個接入

電壓跟隨器

這個電路直接將輸出作為負反饋, 因為運放的同相輸入反相輸入電壓趨於一致, 當 \(V_{in}\) 發生變化時, 為了保持 \(V-\) 與 \(V+\) 一致, 需要 \(V_{o} = V_{in}\), 就使得輸出電壓與輸入電壓一致, 形成了電壓跟隨的效果. 在實際應用中, 可以用這種形式將電壓轉換為電流. 由於 \(V+\) 對外呈現高阻態(輸入電阻從幾百KR到幾百MR甚至GR), 這種電路可以傳遞驅動能力非常弱的電壓訊號.

同相訊號放大

放大直流訊號是運放最常見的使用場景

這個電路的訊號輸入在 \(V+\), \(V-\) 將輸出電壓分壓後接入作為負反饋, 同相不變, 反相變化.

根據運放的同相輸入反相輸入電壓趨於一致的原則, 為保持 \(V+\) 與 \(V-\) 電壓相等, \(V_{o}\) 的電壓會趨近於 \(V_{o} = V_{in} * \frac{R_1 + R_2}{R_1}\) , 當\(R_1 = 1MR\), \(R_2 = 10KR\) 時, 就會產生100倍的放大.

訊號反相器, 反相放大

這個電路的同相輸入接地, 同相不變, 反相變化

\(V+\) 為固定的0V, 因此輸出僅受 \(V-\) 處分壓的結果影響. 因為 \(V-\)的穩態電壓就是 0V, 當輸入電壓為 \(V_{in}\)時, 為使 \(V- = 0\), 需要 \(V_{out} = V_{in} * (-\frac{R_f}{R_i})\) , 對輸入訊號產生了反向的放大.

電壓基準,穩壓電源

這個電路的同相輸入和反相輸入都是固定的

MC1403 是一個精確輸出2.5V電壓的電壓基準晶片, 電流驅動能力只有10mA. 通過上面的電路, 可以增大電流驅動能力, 如果調節 \(R_1\) 和 \(R_2\) 的比例, 就可以將輸出的電壓基準範圍擴大到 2.5V ~ \(V_{CC}\)

恆流電源

基於運放的最簡單的恆流電路. 同相不變, 反相不變

\(V+\) 通過電阻分壓得到了固定的電壓, \(V-\) 端通過 1KR 電阻接地, 因為運放的同相輸入反相輸入電壓一致, 所以1KR電阻的電流是固定的, 帶來的效果就是無論負載 LOAD 如何變化, 電流固定, 形成了恆流的效果.

上面電路的電流輸出能力是很弱的, 一般放大器的輸出短路電流只有40 ~ 60 mA. 可以使用MOS管或三極體形成灌電流, 提升電路的電流輸出能力.

使用PNP三極體的電路

通過並聯多個三極體(或MOS管)進一步提升驅動能力

脈衝輸出

因為反饋同時接入同相和反相輸入, 這不是穩態電路. 對於左側的電路

  • 當 \(V_o > V-\) 時, 二極體導通, 往電容充電, 當電容電壓與 \(V_o\) 相等時, 二極體截止, 電容通過 \(R_2\)放電, 之後電壓回落, 會導致二極體再次導通, 持續迴圈
  • 當 \(V-\) 上升到高於 \(V+\)時, \(V_o\) 變為低電平, 當 \(V-\) 下降到低於 \(V+\)時, \(V_o\) 變為高電平

對於右側的電路, 區別僅在於 \(V-\) 上升到 \(V_o\) 變為低電平後, 是通過上面的二極體往 \(V_o\) 放電

方波輸出

從上方右圖可以看到, 電流的正反向其實是相通的, 兩個電阻只是控制了充電和放電的速度, 如果將並聯的電阻和二極體組合合併, 使得充放電使用同樣的電阻, 就可以得到方波輸出

常用型號

  • LM741, 輸入阻抗 6MR, 輸出電流 40mA, 頻寬 1.5MHz
  • LM358, 供電 32V, 輸入阻抗 10MR, 輸出電流 60mA, 頻寬 1MHz
  • LM324, 供電 32V, 輸出電流 60mA, 頻寬 1MHz
  • NE5532, 供電 15V, 輸入阻抗 300KR, 輸出阻抗 0.3R, 輸出電流 60mA, 頻寬 10MHz
  • OP07, 供電 15V, 輸入阻抗 50MR, 輸出阻抗 60R, 頻寬: 0.6MHz
  • LM339

參考