我們經(jīng)常在芯片的數(shù)據(jù)手冊中看到一些三角形符號,那些符號就是運(yùn)算大器(operational amplifier),簡稱運(yùn)放(op-amp)。
運(yùn)算放大器起源于模擬計(jì)算機(jī)時(shí)代,用于進(jìn)行加、減法、微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算,因此被稱為運(yùn)算放大器。
啥是放大器?
通常,放大器是指一種將輸入端的小電壓信號放大后在輸出端輸出的器件。
放大器的增益(Gain)是指輸出與輸出信號的的幅度之間的比率,也就是放大倍數(shù)。
舉個(gè)例子。下面這個(gè)放大器的輸入信號幅度為 1 伏,輸出信號的幅度變?yōu)?5 伏,增益為 5:
電路中的運(yùn)放一般長這樣,有5個(gè)引腳:
這是輸出引腳,輸出信號會(huì)從這里出來:
標(biāo)有**+** 的是同相輸入(Non-inverting input)引腳, 標(biāo)有**-** 的是反相輸入(Inverting input)引腳:
這兩個(gè)引腳是運(yùn)算放大器的正負(fù)電源引腳:
不同于阻容感等無源器件,運(yùn)放需要外部電源來供電,它是個(gè)有源器件。
一般來說,電源電壓至少需要比所需的輸出電壓高一兩伏左右。比如,如果你想要的輸出電壓峰峰值分別為正負(fù)10 伏:
那么你的電源電壓至少要為正負(fù) 12 伏:
如果你的運(yùn)放供電不足,會(huì)導(dǎo)致輸出信號振幅失真:
很多運(yùn)放需要正負(fù)雙電源。如果你將兩個(gè) 9 伏電池像下面這樣串聯(lián),并且以中間連接點(diǎn)為接地參考,你就有了一個(gè)很好的正負(fù)電壓雙電源。確保在電源上放置電容以穩(wěn)定電源電壓:
放大的是啥?
運(yùn)放放大的既不是同相輸入信號,也不是反相輸入信號。運(yùn)放放大的是這兩個(gè)輸入信號的 壓差 。
我們用 V+ 表示同相輸入信號,用 V- 表示反相輸入信號,用 AOL 表示運(yùn)放的開環(huán)增益,用 Vout 表示輸出信號。則輸出信號與輸入信號的關(guān)系可用下面的方程式表示:
開環(huán)是指輸入引腳和輸出引腳之間沒有任何連接,也就是輸出信號不會(huì)反饋到輸入信號上;反之,如果輸出信號和輸入信號之間有某種連接,比如通過電阻或電容,那么輸出信號就會(huì)反饋到輸入信號,就是閉環(huán)連接。
如果我們用 ΔVin 表示壓差,即:
則上述方程式可進(jìn)一步表達(dá)為:
理想運(yùn)放的放大的倍數(shù)為無窮大。一般運(yùn)放的典型開環(huán)放大倍數(shù)在 10 萬倍以上。
由于開環(huán)增益 AOL 非常大,我們以 10 萬倍為例,假設(shè)正電源電壓為 9 伏,負(fù)電源電壓為 -9 伏。
如果 V+ 大于 V- , 比如這個(gè)差值 ΔVin 非常小,為 1 毫伏,也就是 0.001 伏,則 :
因?yàn)檎娫措妷簽?9 伏,所以輸出不可能到達(dá) 100 伏,最多為 9 伏。
如果 V+ 小于 V-, 差值也是 1 毫伏,帶入方程計(jì)算輸出電壓:
同樣因?yàn)樨?fù)電源 -9 伏的限制,輸出為 -9 伏。
我們從另一個(gè)角度想,對于一個(gè)開環(huán)增益為 10 萬倍的運(yùn)放來說,只要 V+ 比 V- 大 0.09 毫伏,就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放輸出飽和(Saturation), 進(jìn)而輸出電壓接近正電源電壓:
LM358 的典型開環(huán)增益可達(dá) 14 萬倍:
總結(jié)一下上面可以有以下結(jié)論:
- 如果 V+ > V-, 則 Vout ≈ +VCC
- 如果 V+ < V-, 則 Vout ≈ -VCC
下圖中, 5V < 3V, 因此運(yùn)放的輸出為 9 伏:
下圖中, 3V < 5V,因此運(yùn)放輸出 -9 伏:
因?yàn)檫\(yùn)放的開環(huán)的增益非常大,輸入之間非常小的壓差經(jīng)過放大后都會(huì)是一個(gè)非常大的值,可以說運(yùn)放是一個(gè)非常敏感的器件。
給運(yùn)放的引腳輸入一個(gè)非常精確的電壓 2.500 伏。
如果同相引腳電壓為 2.51 伏,輸出將會(huì)是高電平:
如果同相引腳電壓是 2.49 伏,輸出將會(huì)是負(fù)電源電壓
把騾子拉出來
我們在面包板上搭建一個(gè)運(yùn)放比較器電路來驗(yàn)證上面的說法。
在運(yùn)放的反相輸入引腳,我們通過一個(gè)簡單的電阻分壓器輸入一個(gè) 4.5 伏的參考電壓。在運(yùn)放的同相輸入引腳上,我們連接一個(gè)電位器,此引腳的輸入范圍為 0 伏 ~ 9 伏。
運(yùn)放我們使用 LM358P。
按照之前的分析,當(dāng)同相輸入引腳的電壓小于 4.5 伏時(shí),運(yùn)放輸出引腳應(yīng)該輸出負(fù)電源點(diǎn)壓,也就是 -9 伏;
當(dāng)同相輸入引腳電壓大于 4.5 伏時(shí),運(yùn)放輸出引腳應(yīng)該輸出正電源電壓,也就是 9 伏。
示波器探頭 CH1 接反相輸入引腳, 下圖中黃色;示波器 CH2 接同相輸入引腳,下圖中青色;示波器 CH3 接運(yùn)放輸出引腳,紫色。我們將三個(gè)通道的零電平位置都放到垂直中間位置。
我們逐漸調(diào)高同相輸入引腳的電壓,使之接近 4. 5 伏:
圖中反相輸入引腳的實(shí)際電壓 是 4.38 伏左右。可以看到同相輸入引腳電壓小于反相輸入引腳電壓時(shí),運(yùn)放輸出為負(fù)電源電壓,-9.1 伏;當(dāng)同相輸入引腳大于反相輸入引腳電壓時(shí),運(yùn)放輸出正電源電壓,7.67 伏,因?yàn)檫\(yùn)放內(nèi)部三級管有壓降,所以比正電源電壓低一些。
我們通過另一個(gè)例子來學(xué)習(xí)運(yùn)放。
我們把運(yùn)放的反相輸入引腳接地,給運(yùn)放的同相輸入引腳輸入一個(gè)峰峰值為 4 伏,頻率為 100 赫茲的正弦波。電路圖如下:
波形截圖如下:
可以看到,當(dāng)同相引腳電壓大于 0 伏時(shí),輸出高電平;當(dāng)同相引腳的電壓低于 0 伏時(shí),輸出低電平。
運(yùn)放用作比較器時(shí),輸入與輸出之間的關(guān)系可以用下面的圖來表達(dá):
當(dāng) Vin 大于 0 伏時(shí),輸出為 +Vsat ;
當(dāng) Vin 小于 0 伏時(shí),輸出為 -Vsat 。
如果輸入信號從反相引腳輸入,則輸入與輸出的關(guān)系可用下圖表達(dá):
參考電壓不僅可以為零伏,也可以設(shè)置成其他的值,比如 1 伏:
上圖中,CH3 為反相端參考電壓。CH1 為同相端輸入信號,CH2 為輸出引腳信號??梢姡?dāng)信號大于 1 伏時(shí),輸出正電源電壓;當(dāng)信號小于 1 伏時(shí),輸出負(fù)電源電壓。
總結(jié)
今天我們學(xué)習(xí)了運(yùn)放的基本概念,知道了運(yùn)放放大的是兩個(gè)輸入引腳之間的壓差,并且運(yùn)放的開環(huán)增益非常大。
我們通過兩個(gè)具體電路學(xué)習(xí)了運(yùn)放的比較器電路。
-
電容器
+關(guān)注
關(guān)注
63文章
6164瀏覽量
98907 -
運(yùn)算放大器
+關(guān)注
關(guān)注
214文章
4852瀏覽量
172154 -
電源電壓
+關(guān)注
關(guān)注
2文章
978瀏覽量
23895 -
LM358
+關(guān)注
關(guān)注
34文章
184瀏覽量
71473 -
電阻分壓器
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
41瀏覽量
9527
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論