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放大器工作原理

日期:2014年7月16日 14:53
运算放大器(Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP)是一种直流耦合﹐差模(差动模式)输入、通常为单端输出(Differential-in, single-ended output)的高增益(gain)电压放大器,因为刚开始主要用于加法,乘法等运算电路中,因而得名。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。最基本的运算放大器如图1-1。一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。
 
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)组态。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。
 
开环回路运算放大器如图1-2。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 
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」。 
 
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。 
反相闭环放大器如图1-3。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1-4。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
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。
理想运放和理想运放条件
在分析和综合运放应用电路时,大多数情况下,可以将集成运放看成一个理想运算放大器。理想运放顾名思义是将集成运放的各项技术指标理想化。由于实际运放的技术指标比较接近理想运放,因此由理想化带来的误差非常小,在一般的工程计算中可以忽略。

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