运算放大器电路的应用分析和设计

运算放大器使用只要搞清楚以下几点,设计和分析简单的电路应该没有问题。

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负反馈接法

这一点很重要,运算放大器电路必须要接成负反馈(实现比较器功能除外)的形式,说的直白一点就是运算放大器的输出端必须反馈至反相输入端。

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(a) (b)

图1(a)负反馈接法 (b)正反馈接法

虚短、虚断特性

1)运算放大器的输入阻抗很大,可视为开路,因此分析时可视为流入运算放大器引脚的电流为零,这就是虚断。

2)虚短就是运算放大器的正相输入端电压与反相输入端电压相等,即Vp=Vn。为什么会这样呢,如图2所示的电路,由于运入有虚断的特性,那么电阻R3上没有电流,因此Vp=Vi,当该电路刚通电时,Vo=0V,此时Vn=0V,因此运算放大器的净输入电压为Vp-Vn=Vi,由于运算放大器的开环放大倍数的存在,Vo开始升高,由于Vn=Vo*R2/(R2+R1),因此Vn也开始升高,从而导到净输入电压Vp-Vn变小,最终电路会达到一个平衡的状态,此时Vp=Vn,也就是虚短。

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图2 同相放大电路

根据以上两点,运算放大电路的输入输出关系就可以写出来了,还时以图2所示的电路作为例子来说明,

根据虚断的特性,可以得出以下两个重要的特性

1)电阻R3上没有电流,即Vp=Vi

2)流过电阻R2的电流就是流过电阻R1的电流,即I1=I2,因此有

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式(1)

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式(2)

根据虚短的特性,Vn=Vp=Vi,因此有

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式(3)

式(3)就是该运算放大电路的输入输出公式

运放输出电压有限

如何理解这一点呢?这里还是以同相放大电路为例,假设该电路的参数为:

运放的供电采用双电源供电,即电压是±5V

R1=1K,R2=2K

Vi=2V

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图3 同相放大电路

根据同相放大电路的公式,输出电压为

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式(4)

如果真的搭了这样的一个电路,真的可以输出6V电压吗?显然不会,因为供电电压只有5V,输出的电压不可能超过5V。假设该运放是轨至轨的,那么最大可输出的电压为5V,最小可输出-5V。

当输入电压Vi在-1.67V~1.67V之间时,输入输出满足关系统式(4),超出这个范围就不再满足该关系,图4就是该电压的输入输出关系曲线。

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图4 双电源供电的同相放大电路输入输出曲线

在实际电路设计中还有一种很常用的供电方法,即采用单电源供电,即电压是5V,0V

R1=1K,R2=2K

对于这样的电路参数,其实思路是一样的,最大可输出5V,最小可输出0V(假设该运放是轨至轨的),下图是单电源供电时输入输出曲线

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图5 单电源供电的同相放大电路输入输出曲线

总结

因此搞清楚以上三点,运算放大器电路的应用分析和设计一般就没什么问题了