復(fù)習(xí)一下電子設(shè)計(jì)基本元器件,運(yùn)算放大器 ...... 矜辰所致
前言
最近在某個傳感器產(chǎn)品上面用到了運(yùn)算放大器,然后在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候遇到一些細(xì)節(jié),還去翻閱筆記,查找了相關(guān)的資料。
運(yùn)放作為電子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)元器件之一,在我的博文中還不曾來好好說明介紹一下,正好借此機(jī)會,我們從應(yīng)用的角度來聊一聊運(yùn)算放大器。
我是矜辰所致,全網(wǎng)同名,盡量用心寫好每一系列文章,不浮夸,不將就,認(rèn)真對待學(xué)知識的我們,矜辰所致,金石為開!
一、運(yùn)放基本說明
說到運(yùn)放,在相關(guān)專業(yè)大學(xué)課本模擬電子技術(shù)一書中可是花費(fèi)了很多章節(jié)來講述,但是實(shí)際上我回頭看了一遍課本…… 不太看得下去……
因?yàn)樵谥v運(yùn)放的開始模電書上就給你一張運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖,類似下圖(書上的圖我沒特意去找):
然后就開始各種理論分析了……
我們本文從應(yīng)用的角度,為了讓大家能夠 快速的分析基本運(yùn)放電路 的角度出發(fā),來說明一下運(yùn)算放大器的基本知識。
1.1 基本認(rèn)識
先來點(diǎn)基本知識,這些應(yīng)該都是書本上、網(wǎng)絡(luò)上的一些基本概要,走個過場 = =!。
基本的運(yùn)算放大器如圖所示:
對運(yùn)算放大器做一些基礎(chǔ)的說明(我都忘了以前從哪里抄下來的記在筆記本上的,反正走個過場,):
1、引腳端口:
有兩個輸入端口:同相(+)輸入端 和 反向(-)輸入端,一個輸出端口,然后 2個 供電引腳。
2、信號輸入:
當(dāng)輸入信號從 “-” 端口輸入放大器時(shí),輸出端的輸出信號與輸入信號反相;
當(dāng)輸入信號從 “+” 端口輸入放大器時(shí),輸出端的輸出信號與輸入信號同相;
當(dāng)兩個輸入端口同時(shí)輸入信號時(shí),運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減數(shù)運(yùn)算,輸出信號與較大的一方同相。
3、理想運(yùn)放:
一個理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性(這些東西是理論東西,就算不懂這些名詞,也不影響后面我們會使用運(yùn)放):
無限大的 輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開環(huán)回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。
特別說明,本文的討論是基于 “理想的運(yùn)算放大器”,并且是通用的運(yùn)算放大器,特殊用途的不在此討論范圍。
下面開始的這些點(diǎn),就是理解運(yùn)放工作的要點(diǎn)了 !??!
1.2 運(yùn)放中的電流
先來說說運(yùn)放工作時(shí)候的電流:
運(yùn)放的輸入端是沒有電流流入或者流出的?。。?! 但是輸出端是可以經(jīng)過電流的?。。?/p>
知道這一點(diǎn)是進(jìn)行后面分析的基礎(chǔ),要說為什么運(yùn)放輸出端是沒有電流的,因?yàn)樗兄鵁o限大 的輸入阻抗。
輸出端的電流流向如下圖所示(電流通過正電源流向輸出,或者通過輸出流向負(fù)電源):
輸出端的這些電流是由運(yùn)放的供電端提供的,其實(shí)這里也可以稍微理解一下,為什么運(yùn)放的輸出最大值不可能超過供電電源,輸出的最小值不可能低于負(fù)電源( 電流是從電壓高的地方流向電壓低的地方 )。
1.3 運(yùn)放工作特性
運(yùn)放 Vout 的公式:
Vout = 開環(huán)增益* ( Vin+ - Vin-)
.
開環(huán)增益你可以理解為運(yùn)放本身的“放大倍數(shù)”,他是一個很大很大的值,理想運(yùn)放這個值都是 無限大。
.
所以公式最后基本就是 Vout = 無限大 * 同向輸入端與反向輸入端的差值。
通過這個東西可以告訴我們一個運(yùn)放的特性(要記住):
假如運(yùn)放的 正輸入端的電壓 高于 負(fù)輸入端的電壓 ,即便只高一點(diǎn)點(diǎn),由于開環(huán)增益 無限大,所以他還是會產(chǎn)生他能夠輸出的最大正電壓 。
相反的,假如運(yùn)放的 正輸入端的電壓 低于 負(fù)輸入端的電壓 ,所以他還是會產(chǎn)生他能夠輸出的最大負(fù)電壓 。
對于 負(fù)電源接 0V 的場合,那么他能產(chǎn)生的最大負(fù)電壓也只能是 0 V。
運(yùn)放作為比較器的應(yīng)用就是用到了運(yùn)放的這種工作特性,我曾經(jīng)寫過使用運(yùn)放 作 比較器的文章,到時(shí)候也會來帶給發(fā)燒友的小伙伴!
二、負(fù)反饋
在運(yùn)放電路中,我們經(jīng)常聽到負(fù)反饋,什么是負(fù)反饋? 為什么要引入負(fù)反饋?
2.1 什么是負(fù)反饋?
簡單來說,負(fù)反饋就是把輸出端的電壓,引入到 負(fù)輸入端的操作,如下圖:
上面 Vout 電壓通過 R1 電阻引入到 Vin- 端,形成了一個負(fù)反饋電路。
2.2 為什么要引入負(fù)反饋?負(fù)反饋電路分析
在上面我們介紹運(yùn)放工作特性的時(shí)候知道,如果沒有反饋,那么運(yùn)放好像只能用作比較器。這種輸入與輸出并不存在正常的數(shù)學(xué)運(yùn)算的工作方式可能并不是我們想要的。
所以,我們想輸出一個穩(wěn)定的可以計(jì)算的電壓,就需要引入負(fù)反饋,下面是一個最簡單的負(fù)反饋電路分析:
下面的分析還是基于上面的 1.3 小節(jié) 運(yùn)放的工作特性,那個運(yùn)放的工作特性是需要記住的重點(diǎn)!
只要記住了運(yùn)放的工作特性,那么所有的反饋都可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。
我們舉一個簡單的例子:
上圖中已經(jīng)給出了大部分分析, 分析的前提是基于 運(yùn)放的輸入端沒有電流流入,和 運(yùn)放的工作特性,正輸入端 與負(fù)輸入端在在穩(wěn)定下來的電路中會基本相等。
上圖中繼續(xù)計(jì)算:
( 0 - Vout) / R1 = Vin- /R2
Vout = - (R1/ R2) * Vin-
這里我們只是舉了一個簡單的例子應(yīng)用本文的理論知識進(jìn)行說明計(jì)算,后續(xù)我應(yīng)該會單獨(dú)寫一篇博文來記錄一下常用的運(yùn)放電路分析。
2.3 正反饋
然后有的朋友還會有疑問,既然有負(fù)反饋,那么是不是也有正反饋?
正反饋肯定是有的,但是本文并不打算分析正反饋,我簡單的用幾句話說明一下:
負(fù)反饋降低了電路的放大能力,但能夠改善電路的放大性能,減小了波動,電路穩(wěn)定性更好。
正反饋提高了電路的放大能力(可以自己根據(jù)運(yùn)放特性想象一下), 在正反饋中,輸入和輸出信號的相位相似,因此兩個信號相加,適用于振蕩電路中。
三、提一下虛短與虛斷
對于學(xué)習(xí)運(yùn)放的朋友,看很多文章或者視頻,都會遇到 虛短與虛斷這兩個概念,很多的教學(xué)分析都是基于這兩個概念的,其實(shí)只要了解 運(yùn)放的特性,是否對于這兩個概念自然就懂了。
虛短:
其實(shí)就是在分析反饋電路的時(shí)候,根據(jù)運(yùn)放的特性我們可以知道,電路最后的穩(wěn)定狀態(tài),肯定是 Vin+ 基本等于 Vin- 的。
這種 Vin+ = Vin- ,在分析的時(shí)候就當(dāng)成短路了一樣來分析,但又不是真正的短路,所以叫做虛短。
實(shí)際上記住運(yùn)放的特性就明白了。
虛斷:
虛斷,其實(shí)也就指的是運(yùn)放的輸入端沒有電流流入和流出。
就類似于電路斷開了就沒有電流了,所以分析的時(shí)候把兩個輸入端想象成斷開的,稱為虛斷。
其實(shí)只要知道運(yùn)放的輸入阻抗非常非常高,這點(diǎn)也能很好的明白。
新手是否需要去記這個 虛短與虛斷 看個人把,但是通過本文的分析,你應(yīng)該什么都能夠理解了 = =!
結(jié)語
本文使用了幾個簡單的幾個知識點(diǎn),說明了一下如何去理解分析運(yùn)放。
1、運(yùn)放的輸入端是沒有電流流入或者流出的。
2、假如運(yùn)放的 正輸入端的電壓 低于 負(fù)輸入端的電壓 ,他會產(chǎn)生他能夠輸出的最大負(fù)電壓 ;假如運(yùn)放的 正輸入端的電壓 高于 負(fù)輸入端的電壓 ,他會產(chǎn)生他能夠輸出的最大正電壓 ;
如果能夠理解記住本文的內(nèi)容,那么大家在以后遇到運(yùn)放電路分析的時(shí)候是大大的有幫助的,有些東西沒必要死記硬背,了解運(yùn)放的特性和工作原理,可以讓你在面對不同的運(yùn)放電路時(shí),都能夠得心應(yīng)手。
當(dāng)然,在實(shí)際應(yīng)用中我們常用的運(yùn)放電路也就那么一些,有時(shí)間我會單獨(dú)寫一篇博文應(yīng)用本文的知識點(diǎn)進(jìn)行分析。
好了,本文就到這里! 謝謝大家!
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