运算放大器的作用(运算放大器的实际应用)

来源:电子发烧友整理 作者:2018年01月26日 14:54

运算放大器(简称“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算,故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元,可以由分立的器件实现,也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展,大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多,广泛应用于电子行业当中。

运算放大器原理

运放如图有两个输入端a(反相输入端),b(同相输入端)和一个输出端o。也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。当电压U-加在a端和公共端(公共端是电压为零的点,它相当于电路中的参考结点。)之间,且其实际方向从a 端高于公共端时,输出电压U实际方向则自公共端指向o端,即两者的方向正好相反。当输入电压U+加在b端和公共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见,a端和b 端分别用“-”和“+”号标出,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。反转放大器和非反转放大器如下图:

运算放大器的作用(运算放大器的实际应用)

运算放大器的作用(运算放大器的实际应用)

一般可将运放简单地视为:具有一个信号输出端口(Out)和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元,因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。

运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放,其输出可在零电压两侧变化,在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放,输出在电源与地之间的某一范围变化。

运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值,而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化,甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨(rail-to-rail)输入运算放大器。

运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比,在音频段有:输出电压=A0(E1-E2),其中,A0 是运放的低频开环增益(如 100dB,即 100000 倍),E1 是同相端的输入信号电压,E2 是反相端的输入信号电压。

运算放大器的实际应用——比较器

当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB,既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器,其输出如不是高电平(V+),就是低电平(V-或接地)。当正输入端电压高于负输入端电压时,运放输出低电平。

运算放大器的作用(运算放大器的实际应用)

图中使用两个运放组成一个电压上下限比较器,电阻R1、R1ˊ组成分压电路,为运放A1设定比较电平U1;电阻R2、R2ˊ组成分压电路,为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间,当Ui >U1时,运放A1输出高电平;当Ui 《U2时,运放A2输出高电平。运放A1、A2只要有一个输出高电平,晶体管BG1就会导通,发光二极管LED就会点亮。

若选择U1>U2,则当输入电压Ui越出[U2,U1]区间范围时,LED点亮,这便是一个电压双限指示器。

若选择U2 > U1,则当输入电压在[U2,U1]区间范围时,LED点亮,这是一个“窗口”电压指示器。

此电路与各类传感器配合使用,稍加变通,便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。

运算放大器的实际应用——单稳态触发器

运算放大器的作用(运算放大器的实际应用)

此电路可用在一些自动控制系统中。电阻R1、R2组成分压电路,为运放A1负输入端提供偏置电压U1,作为比较电压基准。静态时,电容C1充电完毕,运放A1正输入端电压U2等于电源电压V+,故A1输出高电平。当输入电压Ui变为低电平时,二极管D1导通,电容C1通过D1迅速放电,使U2突然降至地电平,此时因为U1》U2,故运放A1输出低电平。当输入电压变高时,二极管D1截止,电源电压R3给电容C1充电,当C1上充电电压大于U1时,既U2>U1,

A1输出又变为高电平,从而结束了一次单稳触发。显然,提高U1或增大R2、C1的数值,都会使单稳延时时间增长,反之则缩短。

如果将二极管D1去掉,则此电路具有加电延时功能。刚加电时,U1》U2,运放A1输出低电平,随着电容C1不断充电,U2不断升高,当U2》U1时,A1输出才变为高电平。

运算放大器的实际应用——同相交流放大器

运算放大器的作用(运算放大器的实际应用)

同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路,通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定:Av=1+Rf/R4,电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。也可以实现反向交流放大器。

运算放大器的实际应用——有源滤波电路

有源滤波器是指利用放大器、电阻和电容组成的滤波电路,可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面。但因受运算放大器频带限制,这种滤波器主要用于低频范围。 下面选择两个实例应用。

运算放大器的实际应用——无源滤波电路

滤波电路的作用:允许规定范围内的信号通过;而使规定范围之外的信号不能通过。滤波电路的分类:

低通滤波器:允许低频率的信号通过,将高频信号衰减; 高通滤波器:允许高频信号通过,将低频信号衰减;

带通滤波器:允许一定频带范围内的信号通过,将此频带外的信号衰减; 带阻滤波器:阻止某一频带范围内的信号通过,允许此频带以外的信号衰减;

仅由无源元件(电阻、电容、电感)组成的滤波电路,为无源滤波电路。它有很大的缺陷如:电路增益小,驱动负载能力差等。为此我们要学习有源滤波电路。

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播
声明:电子发烧友网转载作品均尽可能注明出处,该作品所有人的一切权利均不因本站而转移。
作者如不同意转载,既请通知本站予以删除或改正。转载的作品可能在标题或内容上或许有所改动。
收藏 人收藏
分享:

相关阅读

发表评论

elecfans网友

分享到:

用户评论(0