運算放大器的基礎(chǔ)知識

步驟1：理論

如果您真的不太在意運算放大器背后的理論，或者只是現(xiàn)在不想閱讀，請?zhí)^此步驟。不會涉及任何繁重的數(shù)學運算，而只是進行一些總結(jié)。我建議您花一些時間來閱讀它們，盡管它們在許多應用程序中都非常有用。在第5章中可以找到一些非常好的教育/教學資料。

運放通常是兩路輸入，一路輸出的設(shè)備，帶有用于+/-電源的附加引腳。通過查看兩個輸入之間的差異，并使用+/-電壓電源作為最大/最小輸出值，運算放大器將輸出一個比輸入高很多倍的電壓參考值。放大值稱為增益，通常以分貝（dB）為單位進行測量。無論您要放大的是電壓，電流還是功率，將輸出除以輸入都會得到整體增益。不同的運算放大器設(shè)計具有不同的最大值，可以實現(xiàn)最大增益，但是對于絕大多數(shù)應用而言，您可以選擇要應用于輸入差分的增益水平。您也可以選擇使輸出為輸入的逆或匹配輸入。輸入分別標記為“反相”和“同相”，有兩個方程式確定運放設(shè)計的增益值，一個方程式用于同相配置，另一個方程式用于反相配置。請注意，對于同相方程，您無法避免的額外增益為1。例如，如果將同相引腳連接到GND，并將反相引腳連接到信號，則輸出將被移相180度，并被增益放大。在圖形上，它將完全在x軸上上下翻轉(zhuǎn)（參見圖2）。如果您切換輸入并將反相引腳接地并且將同相引腳連接至信號，則輸出看起來就像輸入（請參見圖3）。

運放通常具有極高的默認情況下，用戶無法更改內(nèi)置的高增益，如果不將反饋設(shè)計到系統(tǒng)中，則會很快使運算放大器飽和，并擊中電源線之一。這意味著沒有反饋的運算放大器將用作比較器，這意味著如果兩個輸入（+或-）之間存在電壓差，即使相差很小，輸出也將與相應的值相匹配。電源電壓軌。用邏輯術(shù)語來說，您將得到1或0。這在某些應用中很有用，例如從正弦波或三角波生成方波，但并非在所有情況下都如此。很多時候，您希望輸出為輸入的縮放版本，除了幅度外，其他均相同。為了控制增益，您必須實現(xiàn)反饋，通過一個或多個無源組件（例如電阻器，電容器或電感器）將一個輸入或另一輸入連接到輸出。

運算放大器的某些應用包括電壓緩沖器/跟隨器，低通，高通和帶通濾波器，比較器，積分器，微分器，峰值檢測器，電壓/電流調(diào)節(jié)器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。我將在以后的步驟中介紹其中的一些用途。

運放還具有許多不同的設(shè)計選項，因此選擇合適的放大器可能很困難。您應該使用OP37還是LM741？您決定要真正獲得高速，因此選擇OP37。但是哪個版本？ OP37A，C，E，F(xiàn)，G，N，NT，GT或GR？您的設(shè)計中是否需要多個？如果是這樣，您應該使用單打，雙打還是四邊形？當然，每個人都有自己的數(shù)據(jù)表，因此很難輕松進行比較。為了給您一個想法，我提供了一個Excel電子表格，其中列出了一些參數(shù)，以顯示各種可用的IC。并不是所有規(guī)格的詳盡列表，僅是一些基本數(shù)據(jù)。

通過比較一些數(shù)據(jù)，我們可以看到741運算放大器的速度不是很高（低擺率），也不是它具有高增益帶寬乘積（GBP）嗎？然而，OP37的壓擺率和GBP更高（很多），因此與741相比，它可以在更寬的頻率范圍內(nèi)使用。其他IC都屬于速度，可靠性和功耗的范疇。您想比較的其他任何東西。每個應用程序都有其自己的應用程序，由您決定如何使用它。但是對于大多數(shù)應用而言，幾乎所有運放都可以使用。如果您要設(shè)計一些極端的東西（例如高速，高壓，高增益），請瀏覽數(shù)據(jù)表以找到最適合您需求的產(chǎn)品。如前所述，我將展示一些可以使用這些芯片中的任何一個構(gòu)建的簡單運算放大器電路，但是在某些方面，我指出了某些芯片的優(yōu)勢/劣勢。有關(guān)運算放大器的更多信息，請訪問此網(wǎng)站。

步驟2：零件和工具

由于這不僅僅是特定項目，而是更多的指南，因此零件和工具列表可能會有很大差異。話雖如此，我已經(jīng)列出了我正在使用的基本組件。

零件：

8針DIP運算放大器我知道了。所有籌碼都有其優(yōu)點和缺點。要獲得一個好的，強大的，全方位的運算放大器IC，請購買741個芯片。許多制造商都以略有不同的名稱提供了它們。只需在芯片ID中查找“ 741”即可。如果需要高速芯片，請購買OP27或OP37。幾乎所有可用的運算放大器IC都可以構(gòu)建后續(xù)電路。

各種電阻器。增益與至少兩個電阻的比率直接相關(guān)，因此整數(shù)倍將是最容易使用的。 100、220、330、470、680、1k，2.2k，3.3k，4.7k，6.8k，10k，20k，47k和100k都是不錯的值。

根據(jù)需要跳線

根據(jù)需要使用各種陶瓷圓盤電容器。 1nF-100nF（101-104）是易于獲取和使用的值。

工具：

電源

波形發(fā)生器

示波器

這些工具價格昂貴且占用大量空間，因此我建議使用Digilent Analog Discovery或Electronics Explorer Board，兩者都包含一個簡單易用的軟件包中的所有三個。他們都需要免費的Waveforms軟件。我將使用“發(fā)現(xiàn)”，因此所有示波器圖像都是該屏幕截圖。此外，發(fā)現(xiàn)可以在大約150mA的電流下提供+/- 5V電壓，因此所有Vs連接將是這些相應的值。如果您需要更多的電源輸出，則EE板可以提供高達+/- 2A的+/- 9V電壓。

最后一個圖像是741運算放大器的引腳圖，這是芯片I將使用。仔細檢查要使用的運算放大器的引腳排列圖，尤其是多個運算放大器封裝。電源的正電壓連接到引腳7，負電壓連接到引腳4。引腳2是反相輸入，引腳3是同相輸入。引腳6是輸出。引腳1和5是失調(diào)零引腳，很少使用，因此這里不會深入介紹，因為大多數(shù)運算放大器甚至都沒有，尤其是在較大的雙通道和四通道封裝中。引腳8未連接。

步驟3：電壓跟隨器/緩沖器

其中之一運算放大器的基本用途是電壓跟隨器或緩沖器（圖1）。理想的運算放大器具有無限輸入阻抗的特性，因此，如果電路中存在某個點，您無法從電路的前一部分汲取太多電流，但仍需要使用電壓電平是，您可以在兩者之間添加一個電壓跟隨器/緩沖器。

內(nèi)部版本：將+/-電源引腳連接到引腳7（+）和引腳4（-）。在引腳2和6之間放置一根跳線。將引腳3連接到您的輸入信號。引腳6是輸出。 （圖片2）

有關(guān)此小寶石的示例，請參見此Instructable中的步驟6。沒有電壓跟隨器，由于晶體管特性，輸出波形會失真。

步驟4：放大器

放大器是運算放大器的另一個基本功能。首先，我們看一下圖像1中的反相配置。由于等式簡單地對輸入進行反相并通過由電阻比（R2/R1）確定的增益因子對其進行縮放，因此更易于使用。從技術(shù)上講，增益被認為是反相放大器的負值，但是大多數(shù)應用將不依賴于輸入信號的相位，因此將其反相不會影響結(jié)果，因此可以忽略負號。

構(gòu)建：如前所述，將電源引腳連接到+，將其連接到引腳7，將-連接到引腳4。R2跨接在引腳2和6之間的IC。另一端是輸入信號的連接點。引腳3接地。 （圖2）使用小信號作為電路的輸入，因為這里的增益是10倍。從o鏡圖像中，您可以看到輸入（紅色）約為200mV，而輸出是2V，這正是我們想要的（圖像3）。

接下來是同相配置（圖片4）。增益仍然取決于電阻器的比率，但會產(chǎn)生額外的1：（1 +（R2/R1））。輸出相位與輸入相位匹配，但增益略高。隨著比率（R2/R1）的增加，多余的1變得可以忽略不計，但是作為個人喜好，我僅在絕對需要信號相位匹配時才使用該電路。

內(nèi)部版本：：電源連接與以前相同，但是這次我們只需切換輸入和接地連接的位置即可。地線連接到與引腳2相連的電阻，輸入直接與引腳3相連（圖5）。圖6顯示了示波器的數(shù)據(jù)，我們可以看到現(xiàn)在相位已匹配，但是輸出（藍色）比以前略高，因為我們從增益方程中得到了額外的1。

對于這兩種配置，如果將（R2/R1）設(shè)置得太大或輸入信號的幅度太高，則將使電源軌上的可用電壓最大化，從而使運算放大器的輸出飽和并將信號切成方波（圖7）。

對于大多數(shù)運算放大器，完全有可能實現(xiàn)100，000或更大的增益。這會將1毫伏的信號轉(zhuǎn)換為100伏。這對于輸入極低的電路（如麥克風，彎曲傳感器，醫(yī)療設(shè)備等）非常有用。問題是輸入電阻僅基于R1的值。如果您的醫(yī)生將傳感器連接到您的大腦（請不要，這只是一個例子），您可能不想消耗太多電流，對嗎？因此，您要使R1大（1MΩ+）以限制電流消耗，但要實現(xiàn)100的增益，這意味著R2必須大100倍，即100MΩ。這很多，而且可能難以實現(xiàn)，尤其是在獲得更高收益的情況下。圖8顯示了一種電路設(shè)計，該設(shè)計將允許很高的輸入阻抗（1MΩ）和很高的增益（-102），但仍可以使用容易獲得的零件來構(gòu)建。該方程式如圖所示。

步驟5：低通濾波器

電子濾波器無處不在，幾乎在我們使用的所有東西中。 AM和FM無線電信號必須過濾載波（有關(guān)更多信息，請參見此Instructable）。通過電話發(fā)出的信號會濾除6kHz以上的頻率，因為人的聲音無法達到如此高的水平，因此也無需通過它們。運算放大器為實現(xiàn)非常有效的濾波器提供了一種非常簡單的方法。

有幾種類型的濾波器，也有混合型。低通濾波器允許低頻信號從DC一直傳遞到截止頻率，同時衰減高頻。高通濾波器允許高頻通過并衰減低頻。通帶濾波器允許一定范圍的頻率通過和截止兩個拐角頻率之上和之下的頻率。阻帶濾波器可截斷特定的頻率窗口，并允許轉(zhuǎn)折頻率之上和之下的頻率通過。截止頻率是輸入信號衰減3dB的地方，等于Vin/√2。對于一階濾波器，截止頻率并不是急劇下降，看起來更像是對數(shù)圖上的漸變斜率，因此某些頻率的通行會一直到截止點。通過串聯(lián)添加幾個濾波器，可以增加濾波器的整體階數(shù)，并且該截止斜率會變得非常陡峭，如果構(gòu)建正確，則實際上幾乎是垂直的。所有這些背后的數(shù)學都相當復雜，很大程度上取決于對微分方程和傳遞函數(shù)的良好理解，因此我不再贅述。

圖像1是低通濾波器。首先確定您要通過濾波器的最高頻率。這是您的截止日期 f 。接下來，使用公式 f = 1/（2π* R * C）確定R和C的值。對于此示例，讓我們?nèi)我膺x擇 f 為2kHz。我發(fā)現(xiàn)選擇電容器和建立匹配的電阻器網(wǎng)絡要比其他方法容易得多。因此，我們選擇一個100nF（104）陶瓷圓盤電容器。通過數(shù)學運算得出R值為795.775Ω。請記住，高于截止值 f 的某些頻率會泄漏出去，因此靠近應該很好。我們可以將一個470Ω和一個330Ω電阻串聯(lián)在一起使用800 for，或者使用一個電位計。同樣，濾波器仍然可以根據(jù)等式gain =-（R2/R1）來獲得增益，因此要使單位增益（增益為1），我們需要將輸入電阻匹配為800 input。

構(gòu)建： 像以前一樣連接電源引腳。在引腳2和6之間放置一個100nF（104）電容器和一個800Ω電阻器串聯(lián)。在輸入和引腳2之間放置另一個800Ω電阻器串聯(lián)。將引腳3接地。（圖2）

使用波形發(fā)生器，從低頻（200Hz或更小）開始，逐漸按比例放大直到您通過截止頻率（20kHz +）。使用O型鏡，以相同的比例觀察輸入和輸出，并觀察其在較高頻率下的衰減情況。 （圖片3、4和5）

步驟6：高通濾波器

高通濾波器與低通相似，唯一的區(qū)別是放置電容器的位置（圖1）。確定截止頻率f的公式是相同的，但是這次低于截止頻率的頻率將衰減，而更高的頻率將通過。

構(gòu)建：在輸入信號和輸入電阻之間移動電容器。 （圖2）圖3、4和5分別顯示了該電路對200Hz，2kHz和20kHz信號的影響。

步驟7：帶通濾波器

帶通濾波器是低通和高通濾波器的組合（圖1）。訣竅在于，雖然輸入R1-C1組合形成高通部分，而反饋R2-C2組合形成低通部分，但兩個電阻R2/R1的比值仍決定放大器的增益，因此數(shù)學會變得很有趣。首先確定您的帶通區(qū)域，即您要通過的最高和最低頻率。這是我們要在計算中使用的兩個轉(zhuǎn)折頻率。讓我們使用200Hz和2kHz。使用與以前相同的公式，然后選擇R或C，我們可以確定另一個。根據(jù)您要獲得的增益選擇R2和R1，然后根據(jù)該值計算C1和C2可能會更容易。在運算放大器的范圍內(nèi)選擇任何所需的截止頻率和增益是完全可以接受的。讓我們將R1和R2增加10到8kΩ。這樣就使C1為10nF（103）和C2為100nF（104）。

構(gòu)建：如前所述連接電源。使用電位計或串聯(lián)一個4.7kΩ和3.3kΩ電阻，將R1和R2設(shè)置為8kΩ電阻。在引腳2和6以及10nF（103）陶瓷電容器之間放置一個電阻系列。將另一個電阻器的一端與輸入和電阻器之間的100nF（104）電容器串聯(lián)到引腳2。 （圖片2）

在o范圍內(nèi)有五個要突出顯示的點。在較低的截止頻率以下（圖像3），在較低的截止頻率（圖像4），在兩個截止頻率之間（圖像5），在較高的截止頻率（圖像6）以及超出較高的截止頻率（圖像7）。/p》

圖8顯示了通用的原理圖，該原理圖將實現(xiàn)相同的結(jié)果，但是使用兩個層疊在一起的濾波器。第一部分是高通濾波器，其次是低通濾波器。通過首先放置HP濾波器，LP濾波器將減弱如果我們切換它們可能會遇到的任何高頻異常。此外，每個部分都有自己的增益，這可能使從手邊的部分構(gòu)造起來更容易。

步驟8：阻帶濾波器

停止頻帶濾波器或帶阻濾波器是指過濾特定頻率或特定頻帶但允許較高和較低頻率通過的濾波器。這些絕對很難設(shè)計，但是如果您要濾除電路中特定頻率范圍的噪聲時，這些功能將非常有用。陷波濾波器是其中一種變體，用于過濾特定頻率，例如50-60Hz交流電源線的噪聲。

使用帶通濾波器，我們可以構(gòu)建兩個單獨的濾波器，其中一個高通過和一個低通，然后一個接一個地級聯(lián)。這是可能的，因為它們的通帶區(qū)域重疊，但是阻帶濾波器卻不是這種情況。我們?nèi)匀皇褂肔P和HP濾波器，但是必須將它們并聯(lián)放置，然后將第三個運算放大器配置為加權(quán)求和器（稍后再介紹），并將兩個信號加在一起以產(chǎn)生輸出。圖1顯示了原理圖。

要設(shè)計，我們首先需要知道將在什么頻率范圍內(nèi)阻塞。將較低的截止頻率設(shè)置為LP濾波器的截止頻率，將較高的截止頻率設(shè)置為HP濾波器的截止頻率。這與我們設(shè)計帶通濾波器的方式相反。從我們以前使用的方程式中，我們知道截止頻率 f 由 f = 1/（2 * pi * R * C）確定。使用一個100nF（104）電容器和一個4.7kΩ電阻器，我們可以實現(xiàn)340Hz的LP截止。使用1nF（102）電容和4.7kΩ電阻，HP截止頻率為34kHz。從那里開始，將兩個輸出放置到整個夏天，然后就完成了。

構(gòu)建：像以前一樣進行電源連接，“ +”連接到引腳7，“-”連接到引腳4 ，這一次適用于所有3個運算放大器。像以前一樣連接LP濾波器。然后像以前一樣連接HP過濾器。然后，輸出將進入示意圖中的加法器輸入。參見圖2。

圖3、4、5、6和7分別顯示了34Hz，340Hz，3.4kHz，34kHz和50kHz的輸出。在3.4kHz時，輸出非常低，衰減為-34dB（20 * log（Vout/Vin））。那是非常重要的。還應注意，圖像7所顯示的三角波多于正弦波。這是由于UA741運算放大器的擺率較低。簡而言之，它不能像輸入更改一樣快地更改輸出，因此它一直在“追趕”。圖8顯示了相同的輸出，但是這次使用一個OP27和兩個OP37運算放大器，它們具有更高的壓擺率。

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