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【知識點】運放的基本功能以及典型應用

2021-12-07
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? 運算放大器(Operational Amplifier)是集成電路家族里用途最廣的芯片種類之一,也是各大模擬半導體廠商的必備產品。簡單來說,運算放大器就是一個低頻及中頻電子信號放大器。其基本外形為具有兩個(同相、反相)高阻輸入端和一個低阻輸出端。在過去模擬計算機時代,基本的加法、積分等數學運算功能都是由這種放大器實現的,所以稱之為運算放大器。

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運算放大器的電路符號如圖1:

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圖1運算放大器的電路符號

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? 運算放大器最基本的功能是放大電子信號,例如一般話筒的輸出電壓通常在微伏級,這樣的信號用來驅動揚聲器顯然是不夠的,這就需要一個電路對信號進行放大。假設待放大的信號為500mV,我們需要的信號為5V,也就是說需要增益為10,用運放搭一個如圖2所示的簡單電路就可以實現。

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圖2

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? 輸入的小信號為VIN,放大的輸出信號為VOUT,增益為G=1+R1/R2,當R1/R2=9的時候。增益就為10。

? 其推導過程也十分簡單。利用運放閉環負反饋系統的“虛短”、“虛斷”原理,設運放增益為A, 因為運放的輸入端口為高阻態,我們可理解為開路,

? 得出:VOUT=A *{VIN-R/(R2+R1) *VOUT}

? 再得:VOUT/VIN=A-AR2/(R2+R1)*VOUT/VIN

? 得出:VOUT/VIN=1/{1/AR/(R2+R1)

? 由于A很大,1/A可以忽略,故得出:VOUT/VIN=1R1/R2

? 當然這個運算放大器的輸出能力也是有上限的,其輸出電壓受到其供電電源的大小限制。假設運放使用+12V和-12V電源,非軌對軌輸出的運放輸出電壓范圍大致在-10V到+10V之間。

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? 本文到目前為止都沒有談到信號的頻率,上文所有內容都可以理解為在放大一個直流信號。事實上,現實應用中很多場合是放大交流信號,交流信號就必然有頻率。

? 處理交流信號,我們必須要了解運算放大器的一個重要特性,那就是運算放大器的增益是跟信號頻率成反比的,也就是說頻率增大N倍,增益就要減小N倍,所謂10K1M的增益近乎只能在直流信號下保持為一個常數。

? 以麥克風信號為例,人的聲音頻率為20Hz-20KHz,上限頻率(保持運放增益為常數的頻率)為5Hz,則直流增益從1M下降為100,即下降了10000倍,相應的其上限頻率就上升了10000倍,為50KHz,這樣把增益控制在100以下,就可以放大50KHz以下的信號。

? 以上特性就體現了運算放大器中的一個重要參數:增益帶寬積GBW,就是中頻增益放大器的帶寬。

? 運放組成的電路可以說是五花八門,除了放大電路以外,還可以實現比較器、施密特觸發器、ADC/DAC、有源濾波電路等。多個運放組合構成的電路,最經典的可能就是儀表放大器,生活中常見的電子血壓計就包含這個電路。

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? 電子血壓計中氣壓傳感器獲取的脈搏波信號通常是毫伏,甚至微伏級別的模擬信號,這樣的信號送給ADC肯定是不行的,必須經過放大處理,一般采用儀表放大器電路(如圖3,其實質為3個運放構成),這種電路在儀表應用中非常普遍,具有很高的共模抑制比。差分放大結構也可以完美匹配橋式測量電路。

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圖3:儀表放大器

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? 以上我們只是看到了運放的基本功能以及典型應用,在實際產品的運放相關電路設計中,需要考慮的參數非常多,是模擬電路設計的難點之一。

? 目前潤石科技運算放大器根據功能分類就有精密運算放大器、高速運算放大器、通用運算放大器、低噪聲運算放大器、低失調電壓運算放大器、納安功耗運算放大器、高壓高精度運算放大器、高壓通用運算放大器、儀表運算放大器等涉及幾百個料號。

? 為了方便工程師們選型目錄中羅列了運放的封裝形式、通道數量、工作電壓、輸出能力、增益帶寬積、共模抑制比、輸入電壓噪聲密度等參數。這個過濾器極大的簡化了電子工程師的運算放大器選型工作。

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? 當然針對具體的設計需求,選擇一個完美的運放料號,還需要工程師們去查閱大量的數據手冊,尤其是其中各種參數曲線圖。歡迎廣大工程師登錄潤石科技官網www.dsmpfkyy.com申請樣品測試,下載規格書選型!

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