范文一:运算放大器
运算放大器基本上可以算得上是模拟电路的基本需要了解的电路之一,而要想更好用好运放,透彻地了解运算放大器工作原理是无可避免,但是运放攻略太多,那不妨来试试这篇用电路图作为主线的文章来带你领略运算放大器的工作原理吧。
1.运算放大器工作原理综述:
运算放大器组成的电路五花八门,令人眼花瞭乱,在分析运算放大器工作原理时倘没有抓住核心,往往令人头大。本文收集运放电路的应用电路,希望看完后有所收获。但是在分析各个电路之前,还是先回忆一下两个运放教材里必教的技能,就是“虚短”和“虚断”。 虚短和虚断的概念
由于运放的电压放大倍数很大,一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的,一般在 10 V~14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV,两输入端近似等电位,相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大,两输入端的电位越接近相等。
“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时,可把两输入端视为等电位,这一特性称为虚假短路,简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。
由于运放的差模输入电阻很大,一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1μA,远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路,且输入电阻越大,两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时,可以把两输入端视为等效开路,这一特性 称为虚假开路,简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。
图一运算放大器的同向端接地=0V,反向端和同向端虚短,所以也是0V,反向输入端输入电阻很高,虚断,几乎没有电流注入和流出,那么R1和R2相当于是串联的,流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的,即流过R1的电流和流过R2的电流是相同的。流过R1的电流
I1 = (Vi - V-)/R1 ………………………………………….…a 流过R2的电流
I2 = (V- - Vout)/R2 ……………………………………….…b
V- = V+ = 0 …………………………………………………c
I1 = I2 ………………………………………………………….…d
求解上面的初中代数方程得
Vout = (-R2/R1)*Vi
这就是传说中的反向放大器的输入输出关系式了。
图二中
Vi与V-虚短,则
Vi = V- …………………………………………….…….……….a
因为虚断,反向输入端没有电流输入输出,通过R1和R2的电流相等,设此电流为I,由欧姆定律得:
I = Vout/(R1+R2) ……………………………………..….…b
Vi等于R2上的分压, 即:
Vi = I*R2 …………………………………………….….….…c
由abc式得
Vout=Vi*(R1+R2)/R2
这就是传说中的同向放大器的公式了。
图三中,由虚短知:
V- = V+ = 0 …………………………………………………..…a
由虚断及基尔霍夫定律知,通过R2与R1的电流之和等于通过R3的电流,故
(V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (Vout – V-)/R3 ….b
代入a式,b式变为
V1/R1 + V2/R2 = Vout/R3
如果取R1=R2=R3,则上式变为
Vout=V1+V2
这就是传说中的加法器了。
(编辑者注)质疑:(V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (V- – Vout)/R3 ……b 图三公式中少了个负号?
图四。因为虚断,运算放大器同向端没有电流流过,则流过
R1和R2的电流相等,同理流过R4和R3的电流也相等。故
(V1 – V+)/R1 = (V+ - V2)/R2 ………………….………..a
(Vout – V-)/R3 = V-/R4 ………………………..………….……b
由虚短知:
V+ = V- …………………………………………………………….…c
如果R1=R2,R3=R4,则由以上式子可以推导出
V+ = (V1 + V2)/2 V- = Vout/2 …………………………………….d
故 Vout = V1 + V2 也是一个加法器。
图五由虚断知,通过
R1的电流等于通过R2的电流,同理通过R4的电流等于R3的电流,故有
(V2 – V+)/R1 = V+/R2 ………………………..…..…a
(V1 – V-)/R4 = (V- - Vout)/R3 ………..……….…b
如果R1=R2,则
V+=V2/2 …………………………………………………….c
如果R3=R4,则
V- = (Vout + V1)/2 ………………………………….…d
由虚短知
V+ = V- ………………………………………………….…e
所以 Vout=V2-V1
这就是传说中的减法器了。
图六电路中,由运算放大器的虚短知,反向输入端的电压与同向端相等,由虚断知,通过R1的电流与通过C1的电流相等。通过R1的电流 i=V1/R1,通过C1的电流
i=C*dUc/dt=-C*dVout/dt 所以 Vout=((-1/(R1*C1))
输出电压与输入电压对时间
的积分成正比,这就是传说中的积分电路了。若V1为恒定电压U,则上式变换为Vout = -U*t/(R1*C1) t 是时间,则Vout输出电压是一条从0至负电源电压按时间变化的直线。
8.运算放大器工作原理经典电路图七
图七中由虚断知,通过电容C1和电阻R2的电流是相等的,由虚短知,运算放大器同向端与反向端电压是相等的,则:Vout= -i*R2 = -(R2*C1)dV1/dt 这是一个微分电路。如果V1是一个突然加入的直流电压,则输出Vout对应一个方向与V1相反的脉冲。
图八中由虚短知
Vx = V1 …………………………………….……………………….………..a
Vy = V2 ……………….…………………………………………………….…b
由虚断知,运算放大器输入端没有电流流过,则R1、R2、R3可视为串联,通过每一个电阻的电流是相同的,电流
I=(Vx-Vy)/R2 …………………………………….…………………..……c
则:Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3) = (Vx-Vy)(R1+R2+R3)/R2 ……d
由虚断知,流过R6与流过R7的电流相等,若R6=R7,则
Vw = Vo2/2 …………………………………………………………………e
同理若R4=R5,则Vout – Vu = Vu – Vo1,故
Vu = (Vout+Vo1)/2 ………………………………….………………….f
由虚短知,
Vu = Vw ………………………………………………………………………….…g
由efg得
Vout = Vo2 – Vo1 ……………………….……………………………………..h
由dh得
Vout = (Vy –Vx)(R1+R2+R3)/R2………..………………………………..i
上式中(R1+R2+R3)/R2是定值,此值确定了差值(Vy –Vx)的放大倍数。这个电路就是传说中的差分放大电路了。
很多控制器接受来自各种检测仪表的
0~20mA或4~20mA电流,电路将此电流转换成电压后再送ADC转换成数字信号,图九就是这样一个典型电路。如图4~20mA电流流过采样100Ω电阻R1,在R1上会产生0.4~2V的电压差。由虚断知,运算放大器输入端没有电流流过,则流过R3和R5的电流相等,流过R2和R4的电流相等。故:
(V2-Vy)/R3 = Vy/R5 …………………………………………………a
(V1-Vx)/R2 = (Vx-Vout)/R4 ………………………………..…b
由虚短知:
Vx = Vy ………………………………………………………………….…c
电流从0~20mA变化,则
V1 = V2 + (0.4~2) ……………………………………………….…d
由cd式代入b式得
(V2 + (0.4~2)-Vy)/R2 = (Vy-Vout)/R4 …………………e
如果R3=R2,R4=R5,则由e-a得
Vout = -(0.4~2)R4/R2 ……………………………………….f
图九中R4/R2=22k/10k=2.2,则f式Vout = -(0.88~4.4)V,即是说,将4~20mA电流转换成了-0.88 ~ -4.4V电压,此电压可以送ADC去处理。
电流可以转换成电压,电压也可以转换成电流。图十就是这样一个电路。上图的负反馈没有通过电阻直接反馈,而是串联了三极管Q1
的发射结,大家可不要以为是一个比较器就是了。只要是放大电路,虚短虚断的规律仍然是符合的!
由虚断知,运算放大器输入端没有电流流过,则
(Vi – V1)/R2 = (V1 – V4)/R6 …………………a
同理
(V3 – V2)/R5 = V2/R4 ……………………………b
由虚短知
V1 = V2 …………………………………………………c
如果R2=R6,R4=R5,则由abc式得V3-V4=Vi
上式说明R7两端的电压和输入电压Vi相等,则通过R7的电流I=Vi/R7,如果负载RL<>
12.运算放大器工作原理经典电路图十一
来一个复杂的,图十一是一个三线制PT100前置放大电路。PT100传感器引出三根材质、线径、长度完全相同的线,接法如图所示。有2V的电压加在由R14、R20、R15、Z1、PT100及其线电阻组成的桥电路上。Z1、Z2、Z3、D11、D12、D83及各电容在电路中起滤波和保护作用,静态分析时可不予理会,Z1、Z2、Z3可视为短路,D11、D12、D83及各电容可视为开路。由电阻分压知,
V3=2*R20/(R14+20)=200/1100=2/11 ………………..…….…a 由虚短知,U8B第6、7脚 电压和第5脚电压相等
V4=V3 ………………………………………………………………….……..…b
由虚断知,U8A第2脚没有电流流过,则流过R18和R19上的电流相等。
(V2-V4)/R19=(V5-V2)/R18 ………………………………………...…c
由虚断知,U8A第3脚没有电流流过,
V1=V7 ……………………………………………………………….……….…d
在桥电路中R15和Z1、PT100及线电阻串联,PT100与线电阻串联分得的电压通过电阻R17加至U8A的第3脚,
V7=2*(Rx+2R0)/(R15+Rx+2R0) …………………...............e
由虚短知,U8A第3脚和第2脚电压相等,
V1=V2 ………………………………………………………………….…….…f
由abcdef得, (V5-V7)/100=(V7-V3)/2.2 化简得
V5=(102.2*V7-100V3)/2.2即
V5=204.4(Rx+2R0)/(1000+Rx+2R0) – 200/11 ……..…g
上式输出电压V5是Rx的函数我们再看线电阻的影响。Pt100最下端线电阻上产生的电压降经过中间的线电阻、Z2、R22,加至U8C的第10脚,由虚断知,
V5=V8=V9=2*R0/(R15+Rx+2R0) …………..………………..…..…a (V6-V10)/R25=V10/R26 ……………………..………………………………b 由虚短知,
V10=V5 ………………………………………………………….…………….….c
由式abc得
V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/[2.2(1000+Rx+2R0)] ……..h
由式gh组成的方程组知,如果测出V5、V6的值,就可算出Rx及R0,知道Rx,查pt100分度表就知道温度的大小了。
11
12
范文二:运算放大器
1. 某放大电路的电压传输特性如图所示。
1.该电路输出电压与输入电压间是何种运算关系?电压放大倍数有多大?
2.用一只理想集成运算放大器和其它必要的元件组成电路,使其具有图示电压传输特性(要求电路的输入电阻R i =10k Ω),画出电路图,标明元件值(限流电阻可选1k Ω)。
I V
1.反相比例运算关系
电压放大倍数:
当u I >0时,A u =
?u O -6
==-30; ?u I 0. 2
?u O 10
==-40。 ?u I -0. 25
当u I <0时,a u="">0时,a>
u I
VD 1
O
2.某放大电路的电压传输特性如图所示。
1.该电路输出电压与输入电压间是何种运算关系?电压放大倍数A u =?
2.用一只理想集成运算放大器和其它必要的元件组成电路,使其具有图示电压传输特 性(要求电路的输入电阻R i =10k Ω),画出电路图,标明元件值(若需限流电阻, 可选820Ω)。
I V
1.反相比例运算关系
电压放大倍数:
-5V ≤u I ≤3V 时,A u =
?u O
=-2 ?u I
u I >3V 时,A u =2.电路如图示
?u O
=-1 ?u I
u I
O
3.某放大电路的电压传输特性如图所示。
1.该电路的电压放大倍数是多少?
2.写出输出电压u O 与输入电压u I 的关系式。
3.用一只理想集成运算放大器和必要的元件组成电路,使其具有图示电压传输特性 (供使用的反馈电阻为100k Ω),画出电路图,标明元件值(若需限流电阻,可 选510Ω)。
I V
1.A u =
?u O -8
==-4 2 ?u I 2
2.u O =-4(u I -4),2V <6v>6v>
u I
O
4.图示电路中,运放A 和二极管
VD 都是理想器件。
1.写出输出电压u O 与输入电压u I 的函数关系式。
2.输入电压u I 从-1V 变至+1V 时,问i O 的变化范围是多少?
u O
1.u O =?
?0 (u I ≥0)
?u I (u I <>
2.当u I 从0~+1V 时, i O =0; 当u I 从0~-1V 时, i O =0~-当u I =-1V 时, i O =1mA 。
5.图示放大电路中,已知A 1、A 2为理想运放。
1.导出输出电压u O 与输入电压u I 的关系式。2.求输入电阻R i =
u I
; R L
u I
=? i I
u u O
2244? ?1+U U =-1+u I =-3u I 1.U O1= 故u =-u I O O O1 ? ?R R R R 31?1?3??
?R ?R ?R ?R
2.i I =
u I -u O1u I -u O 4R -2R 5
+=u I R R 5RR 5RR 5u I ==210k Ω i I 4R -2R 5
R i =
6.图示比例积分运算电路中,A 为理想运算放大器,电容C 上的初始电压为0,运放A 的 最大输出电压U OM =±10V ,输入信号电压u I 如图所示,在t =0时接入。 1.写出输出电压u O (t )的表达式。 2.画输出电压的波形图,标明时间和幅值。
C
t/s
u O
t/s
R 1
1.u O =-2u I -
R 1R 1C
?
t
u I dt 2.u O =-2u I -u I t
2
s
40
s
7.图示积分电路中,设A 为理想运算放大器。已知输出电压起始值为0,输入电压u I 为 图示方波。试画出输出电压u O (t )的波形图,并标明有关数值。
321
C
12O
ms
u I
ms
1 t
u I d t +u O (0) ? 0RC
时间常数τ=RC =1m s 。
u O =-
当 ?t =1m s ,u I =1V 时, ?u O =-1V ; ?t =1m s , u I =3V 时, ?u O =-3V ; ?t =2m s ,u I =-2V 时,?u O =4V 。 得u O (t )电压波形如图所示。
3210
123
ms
8.图示电路中,设运算放大器A 、二极管VD 、稳压管VD Z 均为理想器件。已知U Z =6V , 输出电压的起始值u O (0)=0V ,开关S 置于位置1上。当t =t 1=4s 时,开关S 转换到 位置2上。试画出输出电压u O 在0≤t ≤10s 区间的波形,标出其u O 过零和转折的时间。
O
u O =-
1 t
u I d t +u O (0) RC ? 0
τ=RC =1s
注意VD Z 的限幅作用,经计算得u O 波形如图:
s
9.设图示(a )(b )电路中的集成运算放大器A 均为理想器件,电容C 上的初始电压为零。 已知输入电压u I1=1V 、u I2=2V 。
1.写出(a )(b )电路的输出电压u O 与输入电压u I 间的关系式。
2.在给定的输入电压下,从t =0时开始积分。当5ms 时,问两电路的输出电压u O1、
u O2各为多少。
u I1
u I2
C C u O1
u O2
( a )
( b )
1.图a u O1=-
1C
?u I1u I2?? 0 R +R ??d t +u C (t )t =0
2??1
t
图b u +=
R 2R 14
u I1+u I2=V
R 1+R 2R 1+R 231C
u +1d t +u =+? 0R 3
R 3C
t
u O2=-
?
t
u +d t +u +
2.将已知参数代入u O1、u O2式中,得
u O1=-10V u O2≈1.4V
10
.微分运算电路如图(a )所示,图(b )为输入电压u I 波形图,A 为理想运算放大器。
试画出输出电压u O 的波形,并标明有关数值。
u I u O
u V
t t u
I
( a ) ( b )
u O =-RC
u O d u I d u
=-1?I d t d t
t s
波形如图所
11.图示电路中,A 为理想运算放大器。已知输入电压u I1、u I2的波形如图所示,试画出输出电压u O 的波形。
u u
u I1t s
u O
u I2V
t ( a )
( b )
u O =-R 2C
d u I1R 2
-u I2 d t R 1
d u I1
=1V, u I2=0, u O =-1V ; d t d u I1
当t =1~2s 时, =-1V , u I2=-2V , u O =2V ;
d t d u I1
当t =2~3s 时, =1V, u I2=0, u O =-1V 。
d t
当t =0~1s 时,
s
范文三:运算放大器
简介
早在20世纪40年代运算放大器第一次被提出来。理想增益模块出现之前先出现了真空管,该元件主要用于运算电路。它们通过反馈的方式完成加法、减法、以及其他的数学函数。
在集成技术出现之前,运放由于价格昂贵,体积笨重而使应用受到限制,直到出现了新技术使得运放集成化才解决了其体积和价格的问题。
有关于运放的资料,已经有了成千上万册。简单来说,这个说明书会包含基本运放的定义,及其测试方法和使用提示。也包括在有应用到反馈情况下的反馈理论的概述分析。
理想放大器
理想的运放有着一些独特的特性。因为这种元件要用来做方法模块,因此理想运放的增益应无穷大。同样根据定义,理想运放的输入电阻应为无穷大,以阻止来自信号源的所有激励对其的影响。此外,其输出阻抗应为零,以提供无穷大的电流来驱动负载。
这些理想的定义可用如图4.2理想运放模型来阐述。
更令人满意的特性有:无限的带宽,零失调电压,对温度、供电电源波动、共模输入信号反应不灵敏。
记住将这些参量,进一步思索过程中两个有力的分析工具。由于输入阻抗无穷大,因此在运放输入端口没有电流流入运放。另外,当使用反馈时,差分输入电压减小到零。这两种状态普遍被用于网络起始点的分析以及后续的电路的分析。
实际运算放大器
通过先进的现代技术,我们已经向理想运放迈出了极大的一步。整体电路已经越来越接近理想运算放大器。例如在很多场合下,双极性运放偏置电流已经达到pA 级范围,而场效应管的偏移电压已经减小到1毫伏以下。
无论如何,任何元件都有着极限,集成电路也不例外。现代的运放有着电流和电压的双重限制。例如点对点输出电压通常也是比供电电压小一到两个基级发射级电压降,而输出电流上限也是在25毫安左右。其它的限制条件很显而易见的如带宽和转换速度,尽管每一代新的元件都比前一代元件有所提高。
术语定义
很早的时候,理想运放就已经被定义了。当然,没有电路是理想的,所以实际的应用中都会包含一些误差来源。
在深入研究放大器的内部电路系统之前,来认识定义这些常用的参量是很有必要的。
输入偏移电压
理想的运放在零输入电压时,会输出零伏电压。但是,由于实际运放并不理想,尽管输入端没有差分电压输入,在输出端仍会产生一个微小的直流电压。这个直流电压被叫做输入偏移电压。且它的数量级多数取决于不同的输入级如图4.3
多数情况下,一个运放的性能多数取决于第一个输入级。第一输入级有着很高的增益,可让小的信号来驱动其他的电路系统。巧合的是,β一个功能便是要求输入电流尽可能地小。输入级上的集电极的电流因此变得非常低以获得低的偏置电流。这个输入级也决定了像偏移电压这样的直流参量。由于这一级的放大输出为其他电路提供了足够的电平来削弱后续产生的误差。在平衡条件下,Q1和Q2的集电级可以很好地匹配,因此我们称:
实际上,Q1和Q2基级发射级上的几何特性会引起E OS 不等于零。因此,为了建立平衡关系,需要在一个V BE 上加一个小的直流电压或者
符合公式的晶体管的V BE 上。
讨论偏移电压时需要参考着输入电路。因此,经典的输入偏移电压的定义是“加在一个运放输入端得差分电压迫使运放的输出电压趋向于零电平。”
对于设计者来说偏移电压之所以非常有用是因为很多其它的误差来源都可以追溯到与V OS
的关系上。例如,输入偏置电流产生的误差便与输入电阻上的偏移电压有关。
输入偏移电压飘移
另一个与偏移电压相关的参量是V OS 随温度的飘移。现如今的运放的偏移电压V OS 的范围通常在5V/C 到40V/C之间。V OS 漂移电压的数量级与最初的室温条件下的偏移电压直接相关。
多数运放证实初始偏移电压越大那么由温度引起的漂移现象也会越高。经验显示每摄氏度每毫伏电压的初始偏移将会产生3.3伏的温漂。
输入偏置电流
如图4.4,显而易见,这个放大器的输入引脚的输入时不对的。因此,它们必须有直流接地的通路路径来时输入有效。然后,放大器的输入引脚所需的输入偏置电流才能适当地驱动这个第一级电路。
I BIAS 的数量级正是两个输入级输入电流的平均值,并且由公式:计算所得
第一级所需的偏置电流在应用了高beta 输入的晶体管和很低的集电极电流的情况下,变得越来越小了。为换得更低的偏置电流,就要降低集电极的电流值和降低转换速度。而补偿部分巧妙地掩盖了对转化速度的影响。
输入偏移电流
理想的差分放大器及其相关的偏置电流并不具有输入偏移电流。然而,实际电路中两个输入端得偏置电流总是有些微小的不同。这些不同点称为输入偏移电流。
实际的偏移电流的数量级通常至少遵循着低于偏置电流的规则。除了高增益,高输入阻抗的放大器应该控制I OS 越小越好之外,其它多数情况下都可以忽略这个偏移的存在。因为这个差异在流经高阻抗后会发展成大的偏移电压。因为I OS 引起的输出偏移电压可用下面的公式计算
因此,高增益和高输入阻抗可直接放大输出由偏移电流引起的误差。电路可以使输入电压无效,电流误差也可以存在,并且会被后续电路所掩盖。
输入电流漂移
值得着重考虑的是温度引起的输入失调电流。尽管在室温下偏移的效果为零,但输出信号会因为温度的改变导致的偏移电流而发生变化。很多现行的模型都包含I OS 值在0.5nA/C区域内变化的典型规格说明。
很明显,这些需要地输入偏移电流的应用也需要低的温漂。
输入阻抗
集成运算放大器从输入端测量的差模和共模经常会被详细地说明。差模是两个输入引脚之间的总的阻抗,而共模是相对于地面的测量的阻抗。差模阻抗可通过测量由输入电压的变化量引起的偏置电流的变化量来计算求得。
共模范围
所有的输入结构都相对于其电压的恰当的运作时的变化范围而有所限制。同时变化而不会引起输出端不正常变化的电压变化范围被称为共模范围。大多数的放大器在15伏的供电电源下都会有着12伏的共模变化范围。
共模抑制比
理想的运放在同一个信号同时作用在两个输入端时,应该是没有增益的。而实际的运放对于共模信号的确是有增益的。一个放大器的共模抑制比的经典定义是差模信号增益与共模信号增益之比的如下面等式形式的分贝表达式。
CMRR 的测量通常需要两套测量装置。然而,要注意的是如果e O 值恒定,CMRR 将变成 一种新的CMRR 的定义方法是输入偏移电压与输入共模电压之比产生的。
图4.5阐述了对于电压跟随器,其等效共模产生的电路应用。
范文四:运算放大器
运算放大器
中文名称:
运算放大器
英文名称:
operational amplifier
定义:
可以对电信号进行运算,一般具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的放大器。 应用学科:
电力(一级学科);通论(二级学科)
以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布
求助编辑百科名片
运算放大器
运算放大器(简称―运放‖)是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算,故得名―运算放大器‖。运放是一个从功能的角度命名的电路单元,可以由分立的器件实现,也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展,大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多,广泛应用于电子行业当中。
目录
运算放大器的发展历史
运算放大器的工作原理
运算放大器的类型
通用型运算放大器
高阻型运算放大器
低温漂型运算放大器
高速型运算放大器
低功耗型运算放大器
高压大功率型运算放大器
可编程控制运算放大器
运算放大器的主要参数
共模输入电阻(RINCM)
直流共模抑制(CMRDC)
交流共模抑制(CMRAC)
增益带宽积(GBW)
输入偏置电流(IB)
输入偏置电流温漂(TCIB)
输入失调电流(IOS)
输入失调电流温漂(TCIOS)
差模输入电阻(RIN)
输出阻抗(ZO)
输出电压摆幅(VO)
功耗(Pd)
电源抑制比(PSRR)
转换速率/压摆率(SR)
电源电流(ICC、IDD)
单位增益带宽(BW)
输入失调电压(VOS)
输入失调电压温漂(TCVOS)
输入电容(CIN)
输入电压范围(VIN)
输入电压噪声密度(eN)
输入电流噪声密度(iN)
运算放大器的应用
运算放大器的简易测量
运算放大器的发展历史
运算放大器的工作原理
运算放大器的类型
通用型运算放大器
高阻型运算放大器
低温漂型运算放大器
高速型运算放大器
低功耗型运算放大器
高压大功率型运算放大器
可编程控制运算放大器
运算放大器的主要参数
共模输入电阻(RINCM)
直流共模抑制(CMRDC)
交流共模抑制(CMRAC)
增益带宽积(GBW)
输入偏置电流(IB)
输入偏置电流温漂(TCIB)
输入失调电流(IOS)
输入失调电流温漂(TCIOS)
差模输入电阻(RIN)
输出阻抗(ZO)
输出电压摆幅(VO)
功耗(Pd)
电源抑制比(PSRR)
转换速率/压摆率(SR)
电源电流(ICC、IDD)
单位增益带宽(BW)
输入失调电压(VOS)
输入失调电压温漂(TCVOS)
输入电容(CIN)
输入电压范围(VIN)
输入电压噪声密度(eN)
输入电流噪声密度(iN)
运算放大器的应用
运算放大器的简易测量
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编辑本段运算放大器的发展历史
第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成,这个放大器可以执行加与减的工作。
运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字,用来进行加、减、乘、除的运算,同时也成为实现模拟计算机(analog computer)的基本建构方块。然而,理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器,无论是使用晶体管(transistor)或真空管(vacuum tube)、分立式(discrete)元件或集成电路(integrated circuits)元件,运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空管设计,现在则多半是集成电路式的元件。但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时,常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。[1] 1960年代晚期,仙童半导体(Fairchild Semiconductor)推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器,型号为μA709,设计者则是鲍伯·韦勒(Bob Widlar)。但是709很快地被随后而来的新产品μA741取代,741有着更好的性能,更为稳定,也更容易使用。741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征,历经了数十年的演进仍然没有被取代,很多集成电路的制造商至今仍然在生产741。直到今天μA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。
编辑本段运算放大器的工作原理
运放如图有两个输入端a(反相输入端),b(同相输入端)和一个输出端o。也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。当电压U-加在a端和公共端(公共端是电压为零的点,它相当于电路中的参考结点。)之间,且其实际方向从a 端高于公共端时,输出电压U实际方向则自公共端指向o端,即两者的方向正好相反。当输入电压U+加在b端和公共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见,a端和b 端分别用"-"和"+"号标出,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。反转放大器和非反转放大器如下图:
运算放大器
运算放大器
一般可将运放简单地视为:具有一个信号输出端口(Out)和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元,因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。
运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放,其输出可在零电压两侧变化,在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放,输出在电源与地之间的某一范围变化。
运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值,而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化,甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨(rail-to-rail)输入运算放大器。
运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比,在音频段有:输出电压=A0(E1-E2),其中,A0 是运放的低频开环增益(如 100dB,即 100000 倍),E1 是同相端的输入信号电压,E2 是反相端的输入信号电压。
编辑本段运算放大器的类型
按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。
通用型运算放大器
通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例μA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放)及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。
运算放大器
高阻型运算放大器
这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>1GΩ~1TΩ,IB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。
低温漂型运算放大器
在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。
高速型运算放大器
在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、μA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。
低功耗型运算放大器
由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为±2V~±18V,消耗电流为50~250μA。目前有的产品功耗已达μW级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。
运算放大器
高压大功率型运算放大器
运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V,μA791集成运放的输出电流可达1A。 可编程控制运算放大器
在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出,就必须改变运算放大器得放大倍数.例如:有一运算放大器得放大倍数为10倍,输入信号为1mv时,输出电压为10mv,当输入电压为0.1mv时,输出就只有1mv,为了得到10mv就必须改变放大倍数为100。程控运放就是为了解决这一问题而产生的。例如PGA103A,通过控制1,2脚的电平来改变放大的倍数。
编辑本段运算放大器的主要参数
共模输入电阻(RINCM)
该参数表示运算放大器工作在线性区时,输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。
直流共模抑制(CMRDC)
该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。
运算放大器
交流共模抑制(CMRAC)
CMRAC用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力,是差模开环增益除以共模开环增益的函数。
增益带宽积(GBW)
增益带宽积是一个常量,定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。
输入偏置电流(IB)
该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。
输入偏置电流温漂(TCIB)
该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。TCIB通常以pA/°C为单位表示。
运算放大器
输入失调电流(IOS)
该参数是指流入两个输入端的电流之差。
输入失调电流温漂(TCIOS)
该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。TCIOS通常以pA/°C为单位表示。
差模输入电阻(RIN)
该参数表示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比,电压的变化导致电流的变化。在一个输入端测量时,另一输入端接固定的共模电压。
输出阻抗(ZO)
该参数是指运算放大器工作在线性区时,输出端的内部等效小信号阻抗。
输出电压摆幅(VO)
该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值,VO一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。
功耗(Pd)
表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率,Pd通常定义在空载情况下。
运算放大器
电源抑制比(PSRR)
该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力,PSRR通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。
转换速率/压摆率(SR)
该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR通常以V/µs为单位表示,有时也分别表示成正向变化和负向变化。
电源电流(ICC、IDD)
该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流,这些参数通常定义在空载情况下。 单位增益带宽(BW)
该参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。
输入失调电压(VOS)
该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。
输入失调电压温漂(TCVOS)
该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化,通常以µV/°C为单位表示。 输入电容(CIN)
CIN表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容(另一输入端接地)。 输入电压范围(VIN)
该参数指运算放大器正常工作(可获得预期结果)时,所允许的输入电压的范围,VIN通常定义在指定的电源电压下。
输入电压噪声密度(eN)
对于运算放大器,输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源,eN通常以 nV / 根号Hz 为单位表示,定义在指定频率。
输入电流噪声密度(iN)
对于运算放大器,输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源,连接到每个输入端和公共端,通常以 pA / 根号Hz 为单位表示,定义在指定频率。
理想运算放大器参数:差模放大倍数、差模输入电阻、共模抑制比、上限频率均无穷大;输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂,以及噪声均为零。
编辑本段运算放大器的应用
运算放大器是用途广泛的器件,接入适当的反馈网络,可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。
编辑本段运算放大器的简易测量
运算放大器是差分输入、单端输出的极高增益放大器,常用于高精度模拟电路,因此必
须精确测量其性能。但在开环测量中,其开环增益可能高达107或更高,而拾取、杂散电流或塞贝克(热电偶)效应可能会在放大器输入端产生非常小的电压,这样误差将难以避免。 通过使用伺服环路,可以大大简化测量过程,强制放大器输入调零,使得待测放大器能够测量自身的误差。图1显示了一个运用该原理的多功能电路,它利用一个辅助运放作为积分器,来建立一个具有极高直流开环增益的稳定环路。开关为执行下面所述的各种测试提供了便利。
图1
图1所示电路能够将大部分测量误差降至最低,支持精确测量大量直流和少量交流参数。附加的―辅助‖运算放大器无需具有比待测运算放大器更好的性能,其直流开环增益最好能达到106或更高。如果待测器件(DUT)的失调电压可能超过几mV,则辅助运放应采用±15 V电源供电(如果DUT的输入失调电压可能超过10 mV,则需要减小99.9 kΩ电阻R3的阻值。) DUT的电源电压+V和–V幅度相等、极性相反。总电源电压理所当然是2 × V。该电路使用对称电源,即使―单电源‖运放也是如此,因为系统的地以电源的中间电压为参考。 作为积分器的辅助放大器在直流时配置为开环(最高增益),但其输入电阻和反馈电容将其带宽限制为几Hz。这意味着,DUT输出端的直流电压被辅助放大器以最高增益放大,并通过一个1000:1衰减器施加于DUT的同相输入端。负反馈将DUT输出驱动至地电位。(事实上,实际电压是辅助放大器的失调电压,更精确地说是该失调电压加上辅助放大器的偏置电流在100 kΩ电阻上引起的压降,但它非常接近地电位,因此无关紧要,特别是考虑到测量期间此点的电压变化不大可能超过几mV)。
测试点TP1上的电压是施加于DUT输入端的校正电压(与误差在幅度上相等)的1000倍,约为数十mV或更大,因此可以相当轻松地进行测量。
理想运算放大器的失调电压(Vos)为0,即当两个输入端连在一起并保持中间电源电压时,输出电压同样为中间电源电压。现实中的运算放大器则具有几微伏到几毫伏不等的失调电压,因此必须将此范围内的电压施加于输入端,使输出处于中间电位。
图2给出了最基本测试——失调电压测量的配置。当TP1上的电压为DUT失调电压的1000倍时,DUT输出电压处于地电位。
图2
理想运算放大器具有无限大的输入阻抗,无电流流入其输入端。但在现实中,会有少量―偏置‖电流流入反相和同相输入端(分别为Ib–和Ib+),它们会在高阻抗电路中引起显著的失
调电压。根据运算放大器类型的不同,这种偏置电流可能为几fA(1 fA = 10–15 A,每隔几微秒流过一个电子)至几nA;在某些超快速运算放大器中,甚至达到1 - 2 μA。图3显示如何测量这些电流。
图3
该电路与图2的失调电压电路基本相同,只是DUT输入端增加了两个串联电阻R6和R7。这些电阻可以通过开关S1和S2短路。当两个开关均闭合时,该电路与图2完全相同。当S1断开时,反相输入端的偏置电流流入Rs,电压差增加到失调电压上。通过测量TP1的电压变化(=1000 Ib–×Rs),可以计算出Ib–。同样,当S1闭合且S2断开时,可以测量Ib+。如果先在S1和S2均闭合时测量TP1的电压,然后在S1和S2均断开时再次测量TP1的电压,则通过该电压的变化可以测算出―输入失调电流‖Ios,即Ib+与Ib–之差。R6和R7的阻值取决于要测量的电流大小。
如果Ib的值在5 pA左右,则会用到大电阻,使用该电路将非常困难,可能需要使用其它技术,牵涉到Ib给低泄漏电容(用于代替Rs)充电的速率。
当S1和S2闭合时,Ios仍会流入100 Ω电阻,导致Vos误差,但在计算时通常可以忽略它,除非Ios足够大,产生的误差大于实测Vos的1%。
运算放大器的开环直流增益可能非常高,107以上的增益也并非罕见,但250,000到2,000,000的增益更为常见。直流增益的测量方法是通过S6切换DUT输出端与1 V基准电压之间的R5,迫使DUT的输出改变一定的量(图4中为1 V,但如果器件采用足够大的电源供电,可以规定为10 V)。如果R5处于+1 V,若要使辅助放大器的输入保持在0附近不变,DUT输出必须变为–1 V。
图4
TP1的电压变化衰减1000:1后输入DUT,导致输出改变1 V,由此很容易计算增益(= 1000 × 1 V/TP1)。
为了测量开环交流增益,需要在DUT输入端注入一个所需频率的小交流信号,并测量相应的输出信号(图5中的TP2)。完成后,辅助放大器继续使DUT输出端的平均直流电平保持稳定。
图5中,交流信号通过10,000:1的衰减器施加于DUT输入端。对于开环增益可能接近直流值的低频测量,必须使用如此大的衰减值。(例如,在增益为1,000,000的频率时,1 V rms信号会将100 μV施加于放大器输入端,放大器则试图提供100 V rms输出,导致放大器饱和。)因此,交流测量的频率一般是几百Hz到开环增益降至1时的频率;在需要低频增益数据时,应非常小心地利用较低的输入幅度进行测量。所示的简单衰减器只能在100 kHz以下的频率工作,即使小心处理了杂散电容也不能超过该频率。如果涉及到更高的频率,则需要使用更复杂的电路。
图5
运算放大器的共模抑制比(CMRR)指共模电压变化导致的失调电压视在变化与所施加的共模电压变化之比。在DC时,它一般在80 dB至120 dB之间,但在高频时会降低。
测试电路非常适合测量CMRR(图6)。它不是将共模电压施加于DUT输入端,以免低电平效应破坏测量,而是改变电源电压(相对于输入的同一方向,即共模方向),电路其余部分则保持不变。
图6
在图6所示电路中,在TP1测量失调电压,电源电压为±V(本例中为+2.5 V和–2.5 V),并且两个电源电压再次上移+1 V(至+3.5 V和–1.5 V)。失调电压的变化对应于1 V的共模电压变化,因此直流CMRR为失调电压与1 V之比。
CMRR衡量失调电压相对于共模电压的变化,总电源电压则保持不变。电源抑制比(PSRR)则相反,它是指失调电压的变化与总电源电压的变化之比,共模电压保持中间电源电压不变(图7)。
图7
所用的电路完全相同,不同之处在于总电源电压发生改变,而共模电平保持不变。本例中,电源电压从+2.5 V和–2.5 V切换到+3 V和–3 V,总电源电压从5 V变到6 V。共模电压仍然保持中间电源电压。计算方法也相同(1000 × TP1/1 V)。
为了测量交流CMRR和PSRR,需要用电压来调制电源电压,如图8所示。DUT继续在直流开环下工作,但确切的增益由交流负反馈决定(图中为100倍)。
图8
为了测量交流CMRR,利用幅度为1 V峰值的交流电压调制DUT的正负电源。两个电源的调制同相,因此实际的电源电压为稳定的直流电压,但共模电压是2V峰峰值的正弦波,导致DUT输出包括一个在TP2测量的交流电压。
如果TP2的交流电压具有x V峰值的幅度(2x V峰峰值),则折合到DUT输入端(即放大100倍交流增益之前)的CMRR为x/100 V,并且CMRR为该值与1 V峰值的比值。 交流PSRR的测量方法是将交流电压施加于相位相差180°的正负电源,从而调制电源电压的幅度(本例中同样是1 V峰值、2 V峰峰值),而共模电压仍然保持稳定的直流电压。计算方法与上一参数的计算方法非常相似。
总结
当然,运算放大器还有许多其它参数可能需要测量,而且还有多种其它方法可以测量上述参数,但正如本文所示,最基本的直流和交流参数可以利用易于构建、易于理解、毫无问题的简单基本电路进行可靠测量。[2]
范文五:运算放大器
运算放大器
最近一直都在介绍各种器材,今天带领大家了解下运算放大器。
运算放大器,简称运放。咋一看,还以为是运算和放大分开,两种功能呢。其实它只是具有 很高放大倍数的电路单元。 在实际电路中, 通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。 由于 早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算,故得名 “ 运算放大器 ” 。看来还是把运算和放 大结合在一起的,作用还是为了实现数学运算,方便日常生活。
深度的说, 运放是一个从功能的角度命名的电路单元, 可以由分立的器件实现, 也可以实现 在半导体芯片当中。 随着半导体技术的发展, 大部分的运放是以单芯片的形式存在。 还是来 说说分类吧:按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类:1,通用 型运算放大器,其性能指标能适合于一般性使用。如 μA741(单运放) 、 LM358(双运放) 、 LM324(四运放)等,目前最为广泛的是集成运算放大器。 2,高阻型运算放大器,常见的 集成器件有 LF355、 LF347(四运放)及更高输入阻抗的 CA3130、 CA3140等。 3,低温 漂型运算放大器,目前常用的高精度、低温漂运算放大器有 OP07、 OP27、 AD508及由 MOSFET 组成的斩波稳零型低漂移器件 ICL7650等。 4,高速型运算放大器,常见的运放 有 LM318、 μA715等,其 SR=50~70V/us,BWG>20MHz。 5,可编程控制运算放大器,例 如 PGA103A ,通过控制 1,2脚的电平来改变放大的倍数。运放的种类繁多,广泛应用于电 子行业当中。
运放的种类繁多, 广泛应用于电子行业当中。 运算放大器是用途广泛的器件, 接入适当的反 馈网络,可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。
就说到这里。 这就是我要跟大家分享的啦。 关注北京荣邦佳业科贸有限公司, 关注更多精彩 分享。