簡(jiǎn)述運(yùn)算放大器的電路工作原理分析
集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放或運(yùn)放)在電子電路中應(yīng)用非常廣泛。運(yùn)放的多數(shù)典型應(yīng)用電路在各類電子技術(shù)教科書(shū)中都有詳細(xì)和深入的分析,集成運(yùn)算放大器(Integrated Circuit Operational Amplifier,簡(jiǎn)稱IC Op-Amp)是一種集成電路,被廣泛應(yīng)用于模擬電路和信號(hào)處理系統(tǒng)中。它通常由數(shù)個(gè)晶體管、電阻、電容等元器件組成,并具有高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗等特點(diǎn)。
集成運(yùn)算放大器通常由5個(gè)基本模塊組成:差動(dòng)放大器:由兩個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口構(gòu)成,其作用是放大輸入信號(hào)的差分信號(hào)。級(jí)聯(lián)放大器:由多個(gè)級(jí)聯(lián)的放大器組成,以增加整體的增益。輸出級(jí):將增強(qiáng)后的信號(hào)放大并驅(qū)動(dòng)負(fù)載。偏置電路:為差動(dòng)放大電路提供正確的工作電平。補(bǔ)償電路:通過(guò)對(duì)集成電路內(nèi)部的反饋路徑進(jìn)行補(bǔ)償,可以提高其穩(wěn)定性和頻率響應(yīng)。
集成運(yùn)算放大器是建立在差動(dòng)放大器原理的基礎(chǔ)上的,其輸入端口通常由兩個(gè)反向并聯(lián)的晶體管組成。當(dāng)兩個(gè)輸入端口分別連接不同的信號(hào)時(shí),晶體管的電流將發(fā)生變化,從而形成一個(gè)差分信號(hào)。這個(gè)差分信號(hào)會(huì)被級(jí)聯(lián)放大器進(jìn)行進(jìn)一步的放大,并最終驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)。集成運(yùn)放通常有一個(gè)反饋回路來(lái)控制其放大倍數(shù)。這個(gè)反饋回路通常是通過(guò)一個(gè)電容或電阻之類的元件實(shí)現(xiàn)的。
1使用雙電源的運(yùn)放交流放大電路
為了使運(yùn)放在零輸入時(shí)零輸出,運(yùn)放的內(nèi)部電路是按使用雙電源的要求來(lái)設(shè)計(jì)的。運(yùn)放交流放大電路采用雙電源供電,可以增大動(dòng)態(tài)范圍。使用雙電源的同相輸入式交流放大電路。兩組電源電壓VCC和VEE相等。C1和C2為輸入和輸出耦合電容;R1使運(yùn)放同相輸入端形成直流通路,內(nèi)部的差分管得到必要的輸入偏置電流;RF引入直流和交流負(fù)反饋,并使集成運(yùn)放反相輸入端形成直流通路,內(nèi)部的差分管得到必要的輸入偏置電流;由于C隔直流,使直流形成全反饋,交流通過(guò)R和C分流,形成交流部分反饋,為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。引入直流全反饋和交流部分反饋后,可在交流電壓增益較大時(shí),仍能夠使直流電壓增益很小(為1倍),從而避免輸入失調(diào)電流造成運(yùn)放的飽和。
2使用單電源的運(yùn)放交流放大電路
在采用電容耦合的交流放大電路中,靜態(tài)時(shí),當(dāng)集成運(yùn)放輸出端的直流電壓不為零時(shí),由于輸出耦合電容的隔直流作用,放大電路輸出的電壓仍為零。所以不需要集成運(yùn)放滿足零輸入時(shí)零輸出的要求。因此,集成運(yùn)放可以采用單電源供電,其-VEE端接"地"(即直流電源負(fù)極),集成運(yùn)放的+Vcc端接直流電源正極,這時(shí),運(yùn)放輸出端的電壓V0只能在0~+Vcc之間變化。在單電源供電的運(yùn)放交流放大電路中,為了不使放大后的交流信號(hào)產(chǎn)生失真,靜態(tài)時(shí),一般要將運(yùn)放輸出端的電壓V0設(shè)置在0至+Vcc值的中間,即V0=+Vcc/2。這樣能夠得到較大的動(dòng)態(tài)范圍;動(dòng)態(tài)時(shí),V0在+Vcc/2值的基礎(chǔ)上,上增至接近+Vcc值,下降至接近0V,輸出電壓uo的幅值近似為Vcc/2。
在使用條件許可的情況下,運(yùn)放交流放大電路盡量采用雙電源供電方式,以增大線性動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)集成運(yùn)放雙電源使用時(shí),正、負(fù)電源電壓一般要對(duì)稱。且電源電壓不要超過(guò)使用極限,電源濾波要好。為了消除電源內(nèi)阻引起的低頻自激,常常在正、負(fù)電源接線與地之間分別加0.01~0.1 μF的電容退耦。使用單電源供電時(shí),運(yùn)放同相輸入端電位要小于該運(yùn)放的最大共模輸入電壓。確定輸入信號(hào)是同相輸入還是反相輸入。若要求放大電路的輸入電阻比較大,應(yīng)采用同相輸入式交流放大電路。因?yàn)榉聪噍斎胧浇涣鞣糯箅娐份斎腚娮璧奶岣邥?huì)影響電壓增益。