運算放大器的概念及基本結(jié)構(gòu)

文章目錄

• 前言
• 一、運算放大器是什么?
• 二、運放的開環(huán)增益
• 三、運放的輸入阻抗、輸出阻抗
• 四、運算放大器的基本結(jié)構(gòu)
• 五、運放的開環(huán)和閉環(huán)使用
• 總結(jié)

前言

作為硬件設(shè)計中最常用的運算放大器，有必要了解和掌握。單個三極管放大倍數(shù)離散度很大，雖然硬件電路簡單，卻無法滿足各種各樣的放大倍數(shù)以及運算。只依靠外圍器件從而決定放大倍數(shù)的 運算放大器 應(yīng)運而生。

一、運算放大器是什么?

運算放大器是一種

多級放大器

多級直接耦合放大器

高增益、高輸入阻抗，低輸出阻抗的多級直流耦合放大器

高共模抑制比、高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗 的多級直接耦合放大器

運放的主要性能優(yōu)點叫做Features,一般在其芯片手冊首頁給出。

運放的選型首先是將技術(shù)項目的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成對電路的性能要求，再根據(jù)運放的指標(biāo)，選擇能夠滿足電路性能要求的型號的運放。

運放型號的選用不當(dāng)將導(dǎo)致電路性能不符合設(shè)計預(yù)期，達不到相應(yīng)的項目所需的技術(shù)指標(biāo)。

二、運放的開環(huán)增益

開環(huán)增益是指：運放輸出端的電壓與運放兩個輸入端之間電位差的比值。

即Uo/(Up-Un).

運放的開環(huán)增益 直接影響用運放通過負反饋構(gòu)成實際的放大器 后其放大倍數(shù)的精度。

運放的開環(huán)增益一般可達到100dB以上(105)，有的運放甚至高達160dB(108)。

但是 運放的開環(huán)增益與工作頻率(輸入信號頻率)有關(guān)。頻率越高，開環(huán)增益越低 。如圖所示。

所以，需要根據(jù)實際工作頻率確定運放的增益，以確定放大器的增益精度

但是高的開環(huán)增益依然有利于低頻或直流情況下的精度

三、運放的輸入阻抗、輸出阻抗

1、輸入電阻是指：運放兩個輸入端之間的等效電阻(前提是運放工作在線性狀態(tài))。 **

輸入電阻和輸出電阻的概念大家可以看看我這篇。

輸入阻抗和輸出阻抗

2、運放的輸入電阻一般可以達到幾百千歐，典型值是 1MΩ 。

3、運放的輸入電阻之所以需要比較高，是因為在用運放通過負反饋構(gòu)成實際的放大器后，運放輸入電阻的影響可以忽略不計。這樣，放大器的增益完全由外部元件決定。

3、運放的輸出電阻很小，一般只有幾十歐姆。

4 、運放在線性應(yīng)用時，一般采用電壓負反饋，而電壓負反饋是降低輸出電阻的(降低1+AF倍)，所以，實際的運放電路的輸出電阻往往只有零點幾歐姆。

5、運放低的輸出電阻當(dāng)然是為了具有更好的輸出特性，即更好的驅(qū)動負載的能力。

6、理想運放的輸入電阻應(yīng)該是無窮大，輸出電阻應(yīng)該是零，電壓增益應(yīng)該是無窮大。

7、理想運放構(gòu)成的放大器，其特性完全取決于外部元器件。——這是人們希望的

8、實際當(dāng)然不可能，故會帶來誤差。問題是：只要把誤差控制在技術(shù)要求可接受的范圍!

四、運算放大器的基本結(jié)構(gòu)

1、運放輸入級一定是差動放大器，中間級為共射放大器，輸出級為射極跟隨器(雙極型管運放)。

2、運放的兩個輸入端就是差動放大器的兩個基極，但是這兩個輸入端并沒有在內(nèi)部設(shè)定偏置，而是置空狀態(tài)。使用時，需要外部為其設(shè)置偏置(這樣做是為了適應(yīng)各種不同的應(yīng)用情況)

3、無論外部怎么給偏置，偏置電流不變，而且，電源電流也不會因不同供電電壓而改變?！?這是因為運放內(nèi)部往往采用恒流源偏置。

五、運放的開環(huán)和閉環(huán)使用

運算放大器既可能開環(huán)使用，也可能閉環(huán)使用。

開環(huán)使用就是把運放當(dāng)做電壓比較器使用，此時運放工作于非線性區(qū)，而在線性情況下的技術(shù)指標(biāo)(輸入電阻、輸出電阻、帶寬增益積等等)將不再適用。

閉環(huán)使用則分兩種情況： 正反饋閉環(huán) 和 負反饋閉環(huán)。

正反饋閉環(huán)情況則運放同樣工作在非線性區(qū)，與開環(huán)情況類似。

而負反饋情況下，由于環(huán)路的自動調(diào)節(jié)作用，將迫使運放工作在線性區(qū)。

注意：但是運放本身不能在開環(huán)情況下直接用于放大信號，即使輸入信號幅度足夠小。

低頻增益太高，無法保證靜態(tài)處于線性區(qū)。

開環(huán)增益與頻率有關(guān)，無法保證運放在一定帶寬范圍內(nèi)增益的恒定性。

增益無法根據(jù)需求進行人為設(shè)置。

總結(jié)

1、首先，運放的增益與頻率有關(guān)。

2、而運放的輸入阻抗不僅有輸入電阻，還有輸入電容。所以輸入阻抗與頻率有關(guān)。

3、運放的輸出級由于是跟隨器的電路形式，所以輸出電阻小。但是隨著頻率的升高，跟隨器的跟隨能力下降，這將導(dǎo)致輸出電阻的上升。所以輸出電阻也與頻率有關(guān)。

4、運放閉環(huán)應(yīng)用時(負反饋)，電路的輸入輸出阻抗將發(fā)生變動(電壓/電流負反饋將降低/升高輸出電阻、串聯(lián)/并聯(lián)負反饋將提高/降低輸入電阻)。

5、在反饋深度1+AF中，由于開環(huán)增益A與頻率有關(guān)(隨頻率的升高A將下降)，故反饋深度與頻率有關(guān)。

6、故負反饋閉環(huán)情況下，由負反饋所帶來的對放大器性能的影響，其具體的影響的量都與頻率有關(guān)。

7、一切與頻率有關(guān)——這是使用運算放大器時的一個基本概念。