放大器工作原理

發布時間:2019/4/24 16:52:34     來源:萬勝電子

運算放大器(Operational Amplifier,簡稱OP、OPA、OPAMP)是一種直流耦合﹐差模(差動模式)輸入、通常爲單端輸出(Differential-in, single-ended output)的高增益(gain)電壓放大器,因爲剛開始主要用于加法,乘法等運算電路中,因而得名。一個理想的運算放大器必須具備下列特性:無限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。最基本的運算放大器如圖1-1。一個運算放大器模組一般包括一個正輸入端(OP_P)、一個負輸入端(OP_N)和一個輸出端(OP_O)。
通常使用運算放大器時,會將其輸出端與其反相輸入端(inverting input node)連接,形成一負反饋(negative feedback)組態。原因是運算放大器的電壓增益非常大,範圍從數百至數萬倍不等,使用負反饋方可保證電路的穩定運作。但是這並不代表運算放大器不能連接成正回饋(positive feedback),相反地,在很多需要産生震蕩訊號的系統中,正回饋組態的運算放大器是很常見的組成元件。
開環回路運算放大器如圖1-2。當一個理想運算放大器采用開回路的方式工作時,其輸出與輸入電壓的關系式如下:
Vout = ( V+ -V-) * Aog
其中Aog代表運算放大器的開環回路差動增益(open-loop differential gai由于運算放大器的開環回路增益非常高,因此就算輸入端的差動訊號很小,仍然會讓輸出訊號「飽和」(saturation),導致非線性的失真出現。因此運算放大器很少以開環回路出現在電路系統中,少數的例外是用運算放大器做比較器(comparator),比較器的輸出通常爲邏輯准位元的「0」與「1」。
閉環負反饋
將運算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來,放大器電路就處在負反饋組態的狀況,此時通常可以將電路簡單地稱爲閉環放大器。閉環放大器依據輸入訊號進入放大器的端點,又可分爲反相(inverting)放大器與非反相(non-inverting)放大器兩種。
反相閉環放大器如圖1-3。假設這個閉環放大器使用理想的運算放大器,則因爲其開環增益爲無限大,所以運算放大器的兩輸入端爲虛接地(virtual ground),其輸出與輸入電壓的關系式如下:
Vout = -(Rf / Rin) * Vin
非反相閉環放大器如圖1-4。假設這個閉環放大器使用理想的運算放大器,則因爲其開環增益爲無限大,所以運算放大器的兩輸入端電壓差幾乎爲零,其輸出與輸入電壓的關系式如下:
Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin
閉環正回饋
將運算放大器的正向輸入端與輸出端連接起來,放大器電路就處在正回饋的狀況,由于正回饋組態工作于一極不穩定的狀態,多應用于需要産生震蕩訊號的應用中。
理想運放和理想運放條件
在分析和綜合運放應用電路時,大多數情況下,可以將集成運放看成一個理想運算放大器。理想運放顧名思義是將集成運放的各項技術指標理想化。由于實際運放的技術指標比較接近理想運放,因此由理想化帶來的誤差非常小,在一般的工程計算中可以忽略。

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