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七月 2 2021

运算放大器的工作原理


目录

1.基本原理
2.开环电路
3.闭环负反馈
4.闭环正回馈

  运算放大器(简称“运放”)是模拟电路领域常用的电子元器件之一,属于有源元件,具有多个端钮,可以实现对信号的加减乘除、比例运算、微分和积分等计算,也可以用来处理电信号,如比较和选择信号的幅度。如今运算放大器凭借其优点广泛应用于自动控制系统、各种测量装置中,对电子科技的发展有着重要的意义。下面一起来了解了解其的原理:

  1.基本原理

  运算放大器有三个端口,其中有两个输入端口,分别为“+”和“-”,一个输出端口。当输入信号从“-”端口输入放大器时,输出端的输出信号与输入信号反相;反之,当输入信号从“+”端口输入放大器时,输出端的输出信号与输入信号同相;当两个输入端口同时输入信号时,运算放大器实现减数运算,输出信号与较大的一方同相。所以说,运算放大器基本上可以说是一个电压放大器。一个理想的运算放大器必须具备下列特性:无限大的 输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。基本的运算放大器如图1所示:

基本运算放大器

图1 基本运算放大器

  通常使用运算放大器时,会将其输出端与其反相输入端(inverting input node)连接,形成一负反馈(negative feedback)状态。原因是运算放大器的电压增益非常大,范围从数百至数万倍不等,使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈(positive feedback),相反地,在很多需要产生震荡讯号的系统中,正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。

  2.开环电路

  开环回路运算放大器如图2。当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时,其输出与输入电压的关系式如下:

  Vout=(V+-V-)*Aog

开环回路运算放大器

  图2 开环回路运算放大器

  其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益(open-loop differential gai)由于运算放大器的开环回路增益非常高,因此就算输入端的差动讯号很小,仍然会让输出讯号「饱和」(saturation),导致非线性的失真出现。因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中,少数的例外是用运算放大器做比较器(comparator),比较器的输出通常为逻辑准位元的「0」与「1」。

  3.闭环负反馈

  将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来,放大器电路就处在负反馈组态的状况,此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入讯号进入放大器的端点,又可分为反相(inverting)放大器与非反相(non-inverting)放大器两种。

反相闭环放大器

  图3 反相闭环放大器

  反相闭环放大器如图3。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器,则因为其开环增益为无限大,所以运算放大器的两输入端为虚接地(virtual ground),其输出与输入电压的关系式如下:

  Vout=-(Rf/Rin)*Vin

  非反相闭环放大器如图4。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器,则因为其开环增益为无限大,所以运算放大器的两输入端电压差几乎为零,其输出与输入电压的关系式如下:

  Vout = ((R2/R1)+1)* Vin

非反相闭环放大器

  图4 非反相闭环放大器

  4.闭环正回馈

  将运算放大器的正向输入端与输出端连接起来,放大器电路就处在正回馈的状况,由于正回馈组态工作于一极不稳定的状态,多应用于需要产生震荡讯号的应用中。

  以上就是运算放大器的工作原理介绍了。在实际应用中,运算放大器的选择必须要综合考虑到设计目的、目标的信号电平、闭环增益、所需的精度以及环境条件等其他因素,并将需求性能转化为运算放大器的对应参数。虽然运算放大电路难,但是不管多复杂的电路,只要运用合适的方法,抓住运放电路的基本特点,所有的问题都可以解答的。

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