運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用，單電源在運(yùn)算放大器中的應(yīng)用含義

　　運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號(hào)可以是輸入信號(hào)加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。

　　運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算的應(yīng)用：

　　集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。

　　運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。

　　1、比例運(yùn)算

　?。?）反相比例運(yùn)算

　　反相比例運(yùn)算電路的輸出電壓和電壓增益分別為

　　因存在“虛短”和“虛斷”現(xiàn)象，故有U_=U+=0，即反相輸入端電壓近似為零，此現(xiàn)象稱反相輸入端“虛地”，此為反相輸入的重要特點(diǎn)。

　?。?） 同相比例運(yùn)算

　　同相比例運(yùn)算電路的輸出電壓和電壓增益分別為

　　當(dāng)

　　稱電壓跟隨器。

　　2、加法運(yùn)算

　　（1） 反相加法運(yùn)算

　　反相加法運(yùn)算電路的輸出電壓為

　　（2） 同相加法運(yùn)算

　　同相加法運(yùn)算電路的輸出電壓為

　　3、減法運(yùn)算

　　減法運(yùn)算電路的輸出電壓為

　　4、積分運(yùn)算

　　積分運(yùn)算電路的輸出電壓為

　　5、微分運(yùn)算

　　微分運(yùn)算電路的輸出電壓為

　　單電源在運(yùn)算放大器中的應(yīng)用含義：

　　在過去只使用電池的時(shí)候，單電源完全就是個(gè)行業(yè)術(shù)語(yǔ)。如果市場(chǎng)營(yíng)銷人員將“單電源”標(biāo)簽貼在放大器上，所帶動(dòng)的興趣和銷量將會(huì)體現(xiàn)出這類產(chǎn)品的吸引力?，F(xiàn)在仍是如此，但您的確需要知道這個(gè)詞的真正含義。

　　放大器通常有五個(gè)終端：非反相輸入、反相輸入、正電源、負(fù)電源和輸出。沒錯(cuò)，有兩個(gè)輸入、一個(gè)輸出和兩個(gè)電源引腳（圖1）。注意，沒有接地引腳。實(shí)際上，設(shè)計(jì)人員可將負(fù)電源連接至 50V，將正電源連接至 55V，只要產(chǎn)品說明書允許的電源范圍是5V即可。在該配置中，如果輸入引腳和輸出引腳符合輸入范圍和負(fù)載要求，那么單電源或雙電源放大器都能良好工作。

　　圖1. 顯示不同引腳位置的放大器方框圖。

　　我們回過頭來定義一下“單電源”應(yīng)用的含義。設(shè)計(jì)人員可利用這種電路確保電源電壓之差符合電池電壓范圍或盡可能最低。最終目的是減少電路功耗。這樣，電源電壓范圍（V+ - V-） 就可低至有源組件允許的最小值。

　　具體到運(yùn)算放大器時(shí)這又代表什么呢？輸入輸出性能特征必須盡量接近電源。實(shí)際上，最好是非反相輸入 （VIN+） 和反相輸入 （VIN-）輕微高出或低于電源電壓幾百毫伏。放大器輸出端則是另一個(gè)問題。如果輸出引腳 （VO）能夠高于和低于電源引腳最好。然而，還有可驅(qū)動(dòng)負(fù)載并需要最小工作壓降的內(nèi)部晶體管（圖 2）。

　　圖2. OPA314 的簡(jiǎn)化原理圖

　　在圖 2 中，輸入共模電壓范圍超出電源軌（V+ 和 V-）200mV.對(duì)于 0 至 5V 電源，輸入范圍是 -200mV 至5.2V。您可以注意到在該互補(bǔ)型輸入級(jí)中有一個(gè) N 通道輸入差分對(duì)與 P 通道差分對(duì)并聯(lián)。在該電路中，當(dāng)輸入電壓接近正電軌時(shí)N通道差分對(duì)啟動(dòng)，而在輸入電壓接近和超出負(fù)電壓軌時(shí)P 通道差分對(duì)啟動(dòng)。

　　該器件具有 AB 類輸出級(jí)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出驅(qū)動(dòng)功能。對(duì)于高達(dá) 10 千歐的電阻式負(fù)載而言，輸出擺幅一般在任何一個(gè)電軌的 5mV以內(nèi)。對(duì)于該規(guī)范來說，負(fù)載電阻器偏置至接地。

　　假設(shè)該放大器電源引腳上的電壓是 +2.5V （V+） 和 -2.5V （V-）。這種情況下，VIN+ 和 VIN- 的輸入擺幅等于 -2.7V 至+2.7V（包括）。此外，輸出負(fù)載電阻器可偏置至 -2.5V。

　　問題出現(xiàn)了，“我能將我的信號(hào)電源放大器與不對(duì)稱電源一起使用嗎？”答案是可以。切記，放大器沒有接地參考。但是，如果您想通常任意放大器獲得接地參考，無論是單電源放大器還是雙電源放大器，都要注意輸入共模、輸入擺幅以及輸出擺幅規(guī)范。您必須花些時(shí)間將產(chǎn)品說明書技術(shù)規(guī)范轉(zhuǎn)換成應(yīng)用的電源條件。