集成運算放大器的電路可分為輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四個基本組成部分(圖1)輸入級是提高運算放大器質量的關鍵部分,要求其輸入電阻高,能減小零點漂移和抑制干擾信號。輸入級都采用差分放大電路,它有同相和反相兩個輸入端。中間級主要進行電壓放大,要求它的電壓放大倍數高,一般由共發射極放大電路構成。輸出級與負載相連,要求其輸出電阻低,帶負載能力強,能輸出足夠大的電壓和電流,一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。偏置電路的作用是為上述各級電路提供穩定和合適的偏置電流,決定各級的靜態工作點,一般由各種恒流源電路構成。
在應用集成運算放大器時,需要知道它的幾個管腳的用途以及放大器的主要參數,至于它的內部電路結構如何一般是無關緊要的。集成運算放大器可用圖2的符號來表示。圖中所示的是F007(5G24)集成運算放大器的外形、管腳和符號圖。它有雙列直插式[圖2a]和圓殼式[圖2b]兩種封裝。這種運算放大器需要與外電路相接的是通過7個管腳引出的。各管腳的功能是:
2——反相輸入端。由此端接輸入信號,則輸出信號和輸入信號是反相的(或兩者極性相反)。
3——同相輸入端。由此端接輸入信號,則輸出信號和輸入信號是同相的(或兩者極性相同)。
6——輸出端。
7——正電源端。接+15V穩壓電源。
8——空腳。
運算放大器的輸出特性:
僅從外部端子分析,運放是一種高放大倍數的電壓放大器。既可用于交流電壓放大,又能用于緩變或直流電壓放大。用V、V分別表示同相輸入端和反相輸入端的節點電壓,則輸入端口電壓即差動輸入電壓為Vd=V+-V-路情況下,輸出電壓Vo與差動輸入電壓Vd曲線可近似用圖1所示的折線來表示。
線中的水平部分稱為運放的飽和區,中間部分為線性區,在此區域內輸出電壓Vo電壓Vd成正比(-Vcc《Vo《+V++)。輸出電壓與輸入電壓之比稱為開環增益或開環電壓放大倍數。本文只介紹運放工作在線性區時的功能和分析方法。在線性區內,運放的電路模型如圖2所示。
運算放大器的線性應用:
1、相比例運算放大器
圖一,運放的同向端接地=0V,反向端和同向端虛短,所以也是0V,反向輸入端輸入電阻很高,虛斷,幾乎沒有電流注入和流出,那么R1和Rf相當于是串聯的,流過一個串聯電路中的每一只組件的電流是相同的,即流過R1的電流和流過R2的電流是相同的。流過R1的電流
I1 = (Ui -U-)/R1 ……a
流過R2的電流 I2 = (U- - Uo)/R2 ……b
U- = U+ = 0 ……c
I1 = I2 ……d
求解上面的初中代數方程得 Uo = (-Rf/R1)*Ui
這就是傳說中的反向比例運算放大器的輸入輸出關系式了。
2、相比例運算放大器
圖二中Ui與U-虛短,則Ui =U- ……a
因為虛斷,反向輸入端沒有電流輸入輸出,通過R1和Rf 的電流相等,設此電流為I,由歐姆定律得:
I = Uo/(R1+R2) ……b
Ui等于Rf上的分壓, 即: Ui = I*R2 ……c
由abc式得Uo=Ui*(R1+Rf)/Rf
這就是傳說中的同相比例運算放大器的公式了。
3、加法器(1)
圖三中,由虛短知: U- = U+ = 0 ……a
由虛斷及基爾霍夫定律知,通過R1與R2的電流之和等于通過Rf的電流,
故 (U1 – U-)/R1 + (U2 – U-)/R2 = (Uo – U-)/R3 ……b
代入a式,b式變為 U1/R1 + U2/R2 = Uo/Rf
如果取R1=R2=R3,則上式變為 Uo=U1+U2
這就是傳說中的加法器了。
4、加法器(2)
請看圖四, 因為虛斷, 運放同向端沒有電流流過,則流過R1和R2的電流相等,同理流過R4和R3的電流也相等。故
(U1 – U+)/R1 = (U+ - U2)/R2 ……a
(Uo – U-)/Rf = U-/R3 ……b
由虛短知: U+ = U- ……c
如果R1=R2,Rf=R3,則由以上式子可以推導出
U+ = (U1 + U2)/2 U- = Uo/2
故 Uo = U1 + U2 可見該電路也是一個加法器電路。
5、減法器
圖五由虛斷知,通過R1的電流等于通過R2的電流,同理通過R4的電流等于R3的電流,
故有 (Ui2 – U+)/R2 = U+/R3 ……a
(Ui1 – U-)/R1 = (U- - Uo)/Rf……b
如果R2=R3, 則 U+ = Ui2/2 ……c
如果Rf=R3, 則U- = (Uo + U1)/2 ……d
由虛短知 U+ = U- ……e
所以 Uo=U2-U1
這就是傳說中的減法器了。
6、積分電路
圖六電路中,由虛短知,反向輸入端的電壓與同向端相等,由虛斷知,通過R1的電流與通過C的電流相等。 通過R的電流 i=U1/R 通過C的電流 i=C*dUc/dt=-C*dUo/dt
所以 Uo=((-1/(R*C))∫Uidt
輸出電壓與輸入電壓對時間的積分成正比,這就是傳說中的積分電路了。
若Ui為恒定電壓U,則上式變換為Uo = -U*t/(R*C) t 是時間,則Uo輸出電壓是一條從0至負電源電壓按時間變化的直線。
7、微分電路
圖七中由虛斷知,通過電容C1和電阻R1的電流是相等的,由虛短知,運放同向端與反向端電壓是相等的。則
Uo = -i * R = -(R*C)dUi/dt
這是一個微分電路。
如果Ui是一個突然加入的直流電壓,則輸出Uo對應一個方向與Ui相反的脈沖。
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