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浅谈集成运放及典型运放电路详解

集成运放是一个多级电路,内部极其复杂,通常在电路设计中我们只需要掌握集成运放的相关特性即可,内部的具体电路无需过度考虑,学习了解集成运放的特性,我们可以通过一些典型的运放电路分析来了解它们的相关特性。

在分析运放电路之前,我们要先了解两个重要概念:虚短和虚断。

虚短的概念:

理想的运放电路正常工作时,同相端的电位V+与反向端的V-近似相等,但实际上两端并没有短接,所以称这种关系叫虚短。可以进一步引出虚地的概念,如图,同向端接地,导致反向端具有地电位,但方向端没有接地,这就是虚地。

虚短运放电路

虚断的概念:

理想的运放电路正常工作时,输入电阻无穷,输入电流就近似为0。两端上都没有电流,但实际上两个输入端是连接着的,这就是虚断的概念。如下图,根据虚断的概念,可以算电流关系:     I1=Ii+I2   I1I2(Ii0)

虚断运放电路

在了解完虚短和虚断两个概念后,我们再进一步通过运放电路来了解集成运放的相关特性。

反相比例运放:

反相比例运放

从图中可以看到该电路的结构特点:

·信号反向端输入,输出电压Vout与输入电压Vi之间存在反相位关系

·R2是反馈电阻,其作用是引入深度负反馈来稳定电路的工作

·R3是平衡电阻,用来维持集成运放输入级差分电路对称性能,通常R3=R1//R2

    由虚短概念:V- V+=0

    由虚断概念:  i1 i2

    由电位关系:  i1=Vi-V-)/R1 = Vi/R1  

i2=V- -Vo)/R2 = -Vo/R2

                Vi/R1 = -Vo/R2

                Vo = -(R2/R1)Vi

同相比例运放:

同相比例运放

从图中可以看到该电路的结构特点:

·信号同相端输入,输出电压Vout与输入电压Vi之间存在同相位关系

·输入信号通过一个分压电路加到同向端,图中R3R4同相端没有电流

    由虚短概念:V- V+

    由虚断概念:  i1 i2

    由电位关系:  i1=V- -0)/R1 = V+/R1  

i2=Vo -V-)/R2 = (Vo-V+)/R2

                 V+/R1 = (Vo-V+)/R2

                 Vo = (1+R2/R1)V+

    V+=(R4/(R3+R4))Vi  

Vo=(1+R2/R1)(R4/(R3+R4))Vi

电压跟随器:

电压跟随器

从图中可以看到该电路的结构特点:

·信号同相端输入

·反相输入端与输出端用导线连接。

    由虚短概念可以得到电路输入输出关系:

              Vo = V- V+ = Vi

              Vo = Vi

电压跟随器在电路中的作用,只是跟随性能会更好、隔离效果更好(输入电阻更小)、带负载能力更强(输出电阻更小)。

电压比较器

电压比较器

如图是一个同相电压比较器,参考电压VREF连接在运放反相端,外加信号Vi从同相端输入。旁边是理想状态下电路的电压传输特性,可以看到,当Vi > VREF时,电路输出正饱和电压VOH,当Vi < VREF时,电路输出负饱和电压VOL。当然,也可以把输入信号和参考电压的连接关系交换,就构成了反相电压比较器,当然,电压传输特性也相反。

最后,信号的基本运放还有很多,包括加法、减法、乘法、积分、还有微分等,就不再一一进行介绍,构成信号运算和处理电路的核心器件就是集成运算放大器,所以,学好它们的每一个运放特性在以后的电路设计中都至关重要。

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