什么是運(yùn)放？運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性

運(yùn)算放大器

照例，先上圖啦。

集成運(yùn)放圖，來源于童詩(shī)白老先生的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》

小明同學(xué)：什么是運(yùn)放啊？

運(yùn)放就是將一些三極管電路集成在一個(gè)小芯片里面，只留出輸入端子和輸出端子的電子元器件。這里我們只分析它的等效模型。

圖中Up和Un分別是運(yùn)算放大器的同相輸入端和反向輸入端，Uo是運(yùn)算放大器的輸出端。

可見，運(yùn)算放大器是一個(gè)雙端輸入，單端輸出的電子元器件。

我們來看下運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性。

不看特性曲線的分析電路，就是耍流氓

我們可以看出，紅色區(qū)中，運(yùn)放的輸出和Up-Un成正比，可以看成是線性區(qū)。

而藍(lán)色區(qū)中，運(yùn)放的輸出和Up-Un無關(guān)，都是輸出最大UoM或最小UoM，可以看成是非線性區(qū)。

我們可以用下列函數(shù)表達(dá)這個(gè)特性：

現(xiàn)在，我們只關(guān)注線性區(qū)（非飽和區(qū)）的特性。

我們可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)很重要的特性。

運(yùn)算放大器線性區(qū)中放大的電壓是Up-Un的電壓，即我們常說的差模信號(hào)。

在線性區(qū)中，我們可以得到這樣一個(gè)公式：

其中Aod代表了線性區(qū)的斜率，又叫差模開環(huán)放大倍數(shù)。

而運(yùn)算放大器中的線性區(qū)非常窄，假設(shè)|Up-Un|<20uV時(shí)，電路工作在線性區(qū)，輸出電壓Uo范圍為0~5V，我們可得：

可見Aod一般都非常之大。

電壓比較器

好了，讓我們?cè)俜治鱿赂\(yùn)算放大器開環(huán)特性極其相似，而閉環(huán)特性又大不相同的電壓比較器吧。

同樣，上張圖。

電壓比較器

小明同學(xué)：你坑我們誒，這不是一樣的圖么。

我：……確實(shí)是一樣的圖，這兩貨的電路表示差不多，所以我偷懶，就貼了一樣的。

好了，看電壓比較器的電壓傳輸特性吧。

電壓比較器基本上工作在非線性區(qū)

看到這里，我們就發(fā)現(xiàn)了，電壓比較器的開環(huán)差模信號(hào)放大倍數(shù)比運(yùn)算放大器的還要大許多。這就是電壓比較器與運(yùn)算放大器的不同之處了。

LM324

LM324是四運(yùn)放電源，那看一個(gè)芯片首先我們就需要去下載它的數(shù)據(jù)手冊(cè)了。

先看這個(gè)芯片的引腳封裝吧

lm324引腳封裝

這貨有兩種引腳形式，一種是20引腳的形式，一種是14引腳的形式，對(duì)應(yīng)的各種封裝都有。

關(guān)于引腳功能需要我們查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)中的Pin Functions部分，限于篇幅這里不展開，其中NC是No Connect(無連接)的意思

查數(shù)據(jù)手冊(cè)的時(shí)候，除了引腳功能，我們還需關(guān)注下列幾個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）供電范圍。

在數(shù)據(jù)手冊(cè)的第一頁(yè)就找到了這個(gè)數(shù)據(jù)。

這段話告訴了我們什么信息呢，第一是LM324既可以運(yùn)用在單電源供電的情況（供電電源為3V~32V），也可以運(yùn)用在雙電源供電的情況下，供電電源±1.5~±13V。

（2）輸出電壓。

在數(shù)據(jù)手冊(cè)第五頁(yè)電氣特性一表中可找到

?

好吧，為了能看清，我把它壓縮地有點(diǎn)畸形。

可看出最大輸出電壓，在VCC為5V時(shí)，大概為3.5V,在VCC為MAX=32V時(shí)，大概為26V。

最小輸出電壓大概是5~20mV。（此處都是指的正壓部分，負(fù)壓一般是對(duì)稱）

從這個(gè)表中我們也可以得到一個(gè)信息，如果你希望你的輸出電壓波形正常，那么LM324的供電電壓至少要比你的輸出電壓大1.5V。

（3）輸出電流。

同樣，在數(shù)據(jù)手冊(cè)的第五頁(yè)可找到

一樣做了壓縮

其中，Source Current 為拉電流，代表運(yùn)算放大器輸出端口向外電路流出的電流。Sink Current為灌電流，代表運(yùn)算放大器輸出端口注入電流的值。由表可看出，LM324輸出電流的能力要比流入電流的能力大。

（4）帶寬增益積

在電壓型反饋運(yùn)算放大器中，它的帶寬與增益乘積為常數(shù)，因此我們也需要特別地關(guān)注這個(gè)參數(shù)。

在表的第11頁(yè)，可以找到這個(gè)參數(shù)。

Gain bandwidth product is found by multiplying the measured bandwidth of an amplifier by the gain at which that bandwidth was measured. These devices have a high gain bandwidth of 1.2 MHz.

我們可以找到這段話，翻譯過來就是帶寬增益積是1.2MHZ的意思。

知道了一些典型參數(shù)后，我們繼續(xù)往下翻數(shù)據(jù)手冊(cè)，會(huì)發(fā)現(xiàn)底下有一些完整的電路設(shè)計(jì)資料或者典型電路設(shè)計(jì)樣例，這些都是我們學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)的“寶典”

在數(shù)據(jù)手冊(cè)的第12頁(yè)，我們找到了這樣一個(gè)電路圖。

為了能看得更清楚點(diǎn)，我又一次把它拉扁了

這個(gè)典型例子告訴了我們下面幾個(gè)信息。（主要是關(guān)于PCB布局的）

①電源VCC和負(fù)電源-VCC需要一個(gè)陶瓷旁路電容。

②讓你的輸入端電路走線盡量遠(yuǎn)離電源線。

③將電子元器件盡量地靠近運(yùn)放芯片引腳，以減少寄生走線帶來的影響。

這些都是十分寶貴而又具有優(yōu)秀電路設(shè)計(jì)理念的建議，你為什么不采用呢？

LM393

LM393是一款十分常用的比較器芯片。為什么我要選它做例子，是有理由的，下面開始講啦。

照例先放個(gè)封裝圖吧

這次是8引腳型和20引腳型。

具體參數(shù)的查詢和LM324的很相似，我也不想寫這個(gè)
我們來比較下LM324和LM393的內(nèi)部電路圖吧。

先上LM324的內(nèi)部電路圖吧。真的只是看一下啦。不做深入分析。

LM324內(nèi)部電路圖

紅色區(qū)是輸入端，采用的是差分放大電路。

藍(lán)色區(qū)是恒流區(qū)，為三極管提供靜態(tài)工作電流。

綠色區(qū)是輸出端，采用的是推挽輸出電路。

再看LM393的內(nèi)部電路圖。這次也是看一下啦。

LM393內(nèi)部電路圖

紅色區(qū)是輸入端，采用的是差分放大電路。

綠色區(qū)是輸出端，采用的是開集輸出。

小明：乍一看兩個(gè)電路似乎都差不多誒，反正我都看不懂，這種感覺哈哈哈哈。。。

好啦，言歸正傳，兩個(gè)電路最大的不同，不就在于他們的輸出端么。

LM393采用的是開集電極輸出方式。

那什么是開集電極輸出。開集電極就是直接把集電極當(dāng)做輸出端，什么也不接的意思。

小課堂：開集輸出&開漏輸出。開集輸出是直接將輸出端接在三極管的集電極，集電極什么也不接。開漏輸出則是直接將輸出端接在mos管的漏極，漏極什么也不接。這樣子就會(huì)造成當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，輸出端接地，輸出0，當(dāng)三極管截止時(shí)，輸出端浮空，狀態(tài)不定的現(xiàn)象。

那么為了解決這個(gè)問題，我們一般需要在開集輸出或開漏輸出的元器件或芯片的輸出端外接上拉電阻接VCC，以保證電路的正常輸出。

我們繼續(xù)翻手冊(cè)，看看手冊(cè)里面的典型應(yīng)用電路是怎么解決這個(gè)問題的。

LM393典型應(yīng)用電路

不要問我為什么這里面的芯片是LM2903,這兩個(gè)芯片是同一系列的。

編輯：黃飛

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