01
Op-amp 中文叫做 運(yùn)算放大器 ,其作用顧名思義,就是 在電路中起到運(yùn)算和放大信號(hào)的作用 ,原教材中對(duì)其作用的介紹并不多,而是很快的涉及到了計(jì)算問(wèn)題,學(xué)生在不知其作用的情況下肯定是學(xué)起來(lái)比較暈。
02
首先集成和簡(jiǎn)單電路中都涉及一個(gè)問(wèn)題,就是電流信號(hào)的模擬,比如說(shuō)錄音錄像機(jī),橋狀二極管的整流,microphone的擴(kuò)音等等,聲波和其它機(jī)械波的變化規(guī)律需要在電路中以電流的形式傳遞給不同的電器組件,并讓其做出反應(yīng),比如說(shuō)音響,音響的接收端就是根據(jù)聲波的起伏,變頻,等等從而模擬出一個(gè)對(duì)應(yīng)的電流信號(hào),這個(gè)信號(hào)會(huì)改變電流周邊的磁場(chǎng),進(jìn)而再次還原出聲波信號(hào)。
其實(shí)在實(shí)際應(yīng)用中電流的變化信號(hào)很小,比如聲波從100-200分貝的變化,反應(yīng)給電流的話就是0.1mA 左右甚至不到,也就是說(shuō)如果信號(hào)過(guò)于弱,10分貝的音量差就不足以被分辨和識(shí)別。 因此這個(gè)信號(hào)需要通過(guò)計(jì)算被放大,這就是運(yùn)算大器(op-amp)的作用。
03
下面對(duì)其工作原理做一個(gè)簡(jiǎn)介
如圖所示,這是典型的反向放大電路,這塊的技術(shù)特點(diǎn)是V+ 接的是地線,就是0電勢(shì)點(diǎn),注意V+叫non inverting voltage同相電壓,V-叫inverting voltage 反向電壓,而兩者之間沒(méi)有任何用電器,所以相對(duì)點(diǎn)位也為0。運(yùn)算放大器的同向端接地=0V,反向端和同向端虛短(虛擬短路),反向輸入端輸入電阻很高,(二極管的特性,單向性)虛斷(虛擬斷路),幾乎沒(méi)有電流注入和流出,那么R1和R2相當(dāng)于是串聯(lián)的,流過(guò)一個(gè)串聯(lián)電路中的每一只組件的電流是相同的,即流過(guò)R1的電流和流過(guò)R2的電流是相同的。
流過(guò)R1的電流I1 = (Vi - V-)/R1,流過(guò)R2的電流I2 = (V- - Vout)/R2 ,又因虛擬短路V- = V+ = 0 ,固I1 = I2 ,求解上面的初中代數(shù)方程得Vout = (-R2/R1)*Vi 這就是傳說(shuō)中的反向放大器的輸入輸出關(guān)系式了。
**特別注意,這里的V- 和V+跟電源的正負(fù)極無(wú)關(guān),V-只是根據(jù)二極管的特性相對(duì)于0電位點(diǎn)是個(gè)反向電壓,電流就必須流入R2 而不會(huì)走二極管的方向。圖中的+- 15v 大家不要糾結(jié),只是說(shuō)在電路不同方向相對(duì)于0電位點(diǎn)的電壓,因?yàn)殡娏髁魅隦2 所以上端為正?。?!
再說(shuō)直白點(diǎn)兒 ,op-amp 的電路就是利用二極管的單向性來(lái)模擬一個(gè)巨大的電阻,使得電路處于虛擬斷路的狀態(tài),強(qiáng)行把并聯(lián)電路擰成串聯(lián)電路,由于V+接地,所以V- 在電路中相當(dāng)于反向電壓,這就是虛擬斷路,但R1 R2 是串聯(lián)關(guān)系,又得保證電流相等,那必然電阻大的電壓分的高,之前的公式中Vout = (-R2/R1)*Vi,也就是說(shuō)R2/R1的比例就是電壓的放大倍數(shù),所以很小的脈沖電流也可以被輕易地探測(cè)到了。
反過(guò)來(lái)說(shuō),我們?nèi)绻繰2/R1 的比值,也可以將擴(kuò)音器接入OP-AMP 中,進(jìn)而一段聲波流入,脈沖電流就會(huì)隨聲波的震動(dòng)而變化,這就是所謂的聲吶!在軍事領(lǐng)域有廣大的應(yīng)用,多普勒雷達(dá),潛艇聲吶等等.....
04
就再舉一例吧
圖二中Vi與V-之間構(gòu)成虛擬短路,則 Vi = V-, 因?yàn)閂-端為虛擬斷路,反向輸入端沒(méi)有電流輸入輸出,通過(guò)R1和R2 的電流相等,(相對(duì)于Vout輸出電壓來(lái)說(shuō),R1 R2串聯(lián))。設(shè)此電流為I,由歐姆定律得: I = Vout/(R1+R2) , Vi等于R2上的分壓(注意,這就是虛擬短路Vi是輸入電流,而R2直接接地) 即:Vi = I R2 由此式得Vout=Vi (R1+R2)/R2 這就是同向放大器的公式了。
我再做簡(jiǎn)單解釋,這個(gè)電路的精妙就在于利用虛擬斷路,將R1 在輸入電路中移除,但輸出電路中依然是串聯(lián),輸入和輸出電路的總電阻不一樣,維了保證電流相等,所以電壓自然在輸出端要增大。 這是正向放大,正向放大適用于輸出,例如增強(qiáng)信號(hào),在網(wǎng)絡(luò)通信中常見(jiàn),反向放大用于探測(cè)多一些,比如接收信號(hào)時(shí)。
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