運算放大器的工作原理和基本電路 使用運算放大器的電路設(shè)計

什么是運算放大器？

運算放大器（Operational Amplifier，簡稱OP、OPA、OPAMP、運放）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器，其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運算的結(jié)果。由于早期應(yīng)用于模擬計算機中用以實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算，因而得名“運算放大器”。

在多數(shù)的常規(guī)設(shè)計中，我們使用運放的理想模型，忽略其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。把它當(dāng)作一個“具有放大作用的元件”，接上電源，便可以讓它發(fā)揮放大的作用。所謂理想的運放，它的輸入阻抗無窮大，輸出阻抗為零，如下圖所示。

理想的運放電路分析有兩大重要原則貫穿始終，即“虛短”與“虛斷”。“虛短”的意思是正端和負端接近短路，即V+=V-,看起來像“短路”;“虛斷”的意思是流入正端及負端的電流接近于零，即I+=I-=0,看起來像斷路（因為輸入阻抗無窮大）。

運算放大器是差分輸入、單端輸出的極高增益放大器，常用于高精度模擬電路，因此必須精確測量其性能。運算放大器是用途廣泛的器件，接入適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器、振蕩器及電壓比較器，廣泛應(yīng)用于家電、工業(yè)以及科學(xué)儀器領(lǐng)域。

在實際應(yīng)用中，可以通過采用具有出色輸入特性的運算放大器，并進一步提高其性能，使其電壓范圍、增益精度、壓擺率和失真性能均優(yōu)于原來的運算放大器，以滿足不同的需求。

運算放大器的工作原理

下面顯示的是一個簡單運算放大器的內(nèi)部框圖（不帶電源）。

有兩個輸入引腳和一個輸出引腳。 –ve 輸入稱為 反相輸入，+ve 輸入稱為 同相輸入 。輸入連接到差分放大器，然后是更多差分放大級。

在差分放大器中，我們發(fā)現(xiàn)了所謂的長尾對。晶體管 Q1 和 Q2 是一對非常匹配的FET 或雙極晶體管。。它們通過配置為恒流源的晶體管 Q3 連接到 –ve。

+ve 和 -ve 輸入之間的任何電壓差都會導(dǎo)致 Q1 和 Q2 的集電極或漏極成比例擺動。這稱為運算放大器的開環(huán)增益。 Q1 和 Q2 原始增益的任何差異都會導(dǎo)致不必要的大輸出擺幅。通過添加一些組件以在輸入和輸出之間提供負反饋，這一切都可以置于我們的控制之下并變得可預(yù)測。

差分放大后，電平移位級將輸出電壓擺幅集中在 0V 附近，因為所有級都是直流耦合的。最后，低阻抗輸出放大器驅(qū)動負載并防止輸出的任何變化影響輸入。

運算放大器的電路符號

簡化的、理想化的運算放大器是一個三端器件。

左邊的兩個端子是輸入，右邊的端子是輸出。請注意，輸入端子有不同的標(biāo)簽：加號表示 同相輸入端子 ，減號表示 反相輸入端子 。

真正的運算放大器至少需要五個端子——兩個輸入、一個輸出和兩個電源連接：

雙電源運算放大器電路（左側(cè)）使用正電源電壓和負電源電壓。在單電源配置中（右側(cè)），負電源端子接地。

當(dāng)我們繪制運算放大器時，我們經(jīng)常省略電源端子，因為我們假設(shè)該器件連接到電源電壓，以便在給定應(yīng)用的情況下能夠正常運行。然而，重要的是要記住運算放大器的輸出電壓范圍受到其電源電壓的限制。

運算放大器的基本電路

1、同相放大器電路

同相放大器是一種運算放大器電路配置，可產(chǎn)生放大的輸出信號。它提供高輸入阻抗以及使用運算放大器獲得的所有優(yōu)勢。電路圖如圖1所示：

圖1 同相放大器電路

2、反相放大器電路

反相放大器(也稱為反相運算放大器或反相運算放大器)是一種運算放大器電路，它產(chǎn)生的輸出與其輸入相差 180 度。來輸入信號。在圖2中，兩個外部電阻器用于創(chuàng)建反饋電路并在放大器兩端形成閉環(huán)電路。

圖2 反相放大器電路

運算放大器作為加法器通過將更多輸入連接到反相運算放大器，可以構(gòu)成加法器電路。加法放大器的電路圖如圖3所示。

圖3 運算放大器作為加法器

3、差分放大器電路

差分放大器是一種具有兩個輸入和一個輸出的模擬電路，其輸出理想地與兩個電壓之間的差成正比。這是一個非常有用的運算放大器電路，通過添加更多與輸入電阻并聯(lián)的電阻，如圖4所示。

圖4 差分放大器

4、復(fù)合放大器電路

復(fù)合放大器被稱為多個運算放大器的組合，這些運算放大器與整個網(wǎng)絡(luò)的負反饋回路級聯(lián)在一起。這些反饋回路本質(zhì)上是負的，因此它們也被稱為嵌套反饋放大器。負反饋有助于減少輸出的波動。這些波動可能由于輸入的變化或外部干擾而發(fā)生。系統(tǒng)輸出的某些功能被輸入到輸入，從而實現(xiàn)負反饋。如圖5所示。

圖5 復(fù)合放大器

電路中的電阻一般選擇在K歐姆級別，電阻的比值影響增益和偏置，另外，運放的供電電流、頻率響應(yīng)和容性負載驅(qū)動能力決定了它們在電路中的具體值。如果用于高頻電路，需要降低電阻以獲得更好的高頻響應(yīng)，但會增加輸入偏置電流，從而增加電源的電流。

使用運算放大器的電路設(shè)計

1、使用運算放大器的過流保護電路設(shè)計

可以通過使用運算放大器感測過電流來設(shè)計一個簡單的過流保護電路，并根據(jù)結(jié)果驅(qū)動Mosfet 斷開/連接負載與電源。相同的電路圖很簡單，如圖所示。

從圖中可以看出，MOSFET IRF540N 用于在正常和過載條件下控制負載的開啟或關(guān)閉。但在關(guān)閉負載之前，必須檢測負載電流。這是通過使用分流電阻器R1來完成的，它是一個1歐姆分流電阻器，額定功率為2 瓦。這種測量電流的方法稱為分流電阻電流檢測。

在MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)期間，負載電流流經(jīng)MOSFET的漏極至源極，最后通過分流電阻流至GND。根據(jù)負載電流，分流電阻會產(chǎn)生一個電壓降，可以使用歐姆定律計算出該電壓降。因此，讓我們假設(shè)，對于1A 的電流(負載電流)，分流電阻器上的壓降為1V，因為V = I x R(V = 1A x1歐姆)。因此，如果將此壓降與使用運算放大器的預(yù)定義電壓進行比較，可以檢測過流并改變MOSFET的狀態(tài)以切斷負載。

運算放大器通常用于執(zhí)行加、減、乘等數(shù)學(xué)運算。因此，在該電路中，運算放大器LM358被配置為比較器。根據(jù)原理圖，比較器比較兩個值。第一個是分流電阻器兩端的壓降，另一個是使用可變電阻器或電位計RV1的預(yù)定義電壓(參考電壓)。RV1充當(dāng)分壓器。分流電阻器上的壓降由比較器的反相端檢測，并將其與連接在運算放大器同相端的參考電壓進行比較。

因此，如果檢測到的電壓小于參考電壓，比較器將在輸出端產(chǎn)生一個接近比較器VCC的正電壓。但是，如果感測電壓大于參考電壓，比較器將在輸出兩端產(chǎn)生負電源電壓(負電源連接到 GND，因此在這種情況下為0V)。該電壓足以打開或關(guān)閉MOSFET。

2、使用運算放大器的電壓控制電流源電路設(shè)計

這是通過使用運算放大器的電壓控制電流源電路設(shè)計。如圖所示，現(xiàn)在不是直接連接到負輸入的運算放大器的輸出，負反饋來自連接在N 溝道MOSFET兩端的分流電阻器。運算放大器輸出連接在Mosfet 門上。

讓我們假設(shè)，在運算放大器的正輸入端提供1V輸入。運算放大器將不惜一切代價使負反饋路徑為1V。輸出將打開MOSFET以在負端子上獲得1V。分流電阻的規(guī)則是根據(jù)歐姆定律產(chǎn)生壓降，V= IR。因此，如果1A 電流流過1 歐姆電阻，則會產(chǎn)生 1V壓降。

圖為負反饋電路

運算放大器將使用此壓降并獲得所需的1V 反饋?，F(xiàn)在，如果連接一個需要電流控制才能運行的負載，可以使用該電路并將負載放置在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

圖為電流控制的負載電路

下圖是運算放大器電壓控制電流源的詳細電路圖。

圖為電壓控制電流源設(shè)計電路圖