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如何分析运放电路?
发布时间:2024-11-07 09:00:01    浏览:233次
    目前市场运放种类繁多,面对不同的使用条件和环境,是否都能选择一样的运放呢?没关系,这是很多电子工程师都会困惑的问题,接下来为你揭开运放选型的神秘面纱。

一、该如何分析运放电路呢?

    在学习运放选型前,我们需要先来透测的学习运放电路的内部结构和原理,对于我们来说运算放大器是模拟电路中十分重要的元件,它能组成放大、加法、减法、转换等各种电路,我们可以运用运放的“虚短”和“虚断”来分析电路,然后应用欧姆定律等电流电压关系,即可得输入输出的放大关系等。

    由于运放的电压放大倍数很大,一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的,一般在 10 V~14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV,两输入端近似等电位,相当于“短路”。开环电压放大倍数越大,两输入端的电位越接近相等。“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时,可把两输入端视为等电位,这一特性称为虚假短路,简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。


图1-1.方向比例运算放大电路

    在反相放大电路中,信号电压通过电阻R1加至运放的反相输入端,输出电压Vo通过反馈电阻Rf反馈到运放的反相输入端,构成电压并联负反馈放大电路。

    运放的同相端接地=0V,反相端和同相端虚短,所以也是0V,反相输入端输入电阻很高,虚断,几乎没有电流注入和流出,那么R1和Rf相当于是串联的,流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的,即流过R1的电流和流过Rf的电流是相同的。

根据欧姆定律:

    Is= (Vs- V-)/R1................(1)
    If= (V- - Vo)/Rf...............(2)
    V- = V = 0 ....................(3)
    Is= If ........................(4)

    求解后可能Vo== (-Rf/R1)*Vi

    在分析电路的过程中,暂时不用管运放的其他特性,就根据虚短和虚断的特性来分析。当然,若运放不工作在放大区时,不满足虚短和虚断发条件,不能使用此种方法来分析,如比较器。

    如下图1-2,是运放实现的加法器,用虚短和虚断的方法来分析此电路。


    由于运放的差模输入电阻很大,一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA,远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路,且输入电阻越大,两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时,可以把两输入端视为等效开路,这一特性称为虚假开路,简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。

    下面本文用虚断和虚断方法来对实际的电路进行分析,如图1-1所示,是常见的反相比例运算放大电路:


图1-2.运放实现的加法器

    由于电路存在虚短,运放的净输入电压vI=0,反相端为虚地。

    vI=0,vN=0.......................(5)

    反相端输入电流iI=0的概念,通过R2与R1的电流之和等于通过Rf的电流故

    (Vs1 – V-)/R1 (Vs2 – V-)/R2

    = (V- –Vo)/Rf.......(6)

    如果取R1=R2=R3,由a,b两式解得

    -Vout=Vs1 Vs.......................(7)

    式(7)中负号为反相输入所致,若再接 反相电路,可消去负号。

    简言之,虚短是运放正输入端和负输入端的电压相等,近似短路;虚断是流入正负输入端的电流为0。只要掌握了这一点,再运用欧姆定律,即可很容易的分析同相比例放大电路,反向比例放大电路等常用的运放放大电路。

二、运放具体该怎么选择呢?

    下面分类介绍什么情况下选择什么样的运放!

1.通用型运算放大器

    通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例mA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放),它们是目前应用 为广泛的集成运算放大器。

2.精密运算放大器

    精密运算放大器一般指失调电压低于1mV的运放,对于直流输入信号,输入失调电压(VOS)和它的温漂小就行,但对于交流输入信号,我们还必须考虑运放的输入电压噪声和输入电流噪声,在很多应用情况下输入电压噪声和输入电流噪声显得更为重要一些。在传感器类型和(或)其使用环境带来许多特别要求时,例如超低功耗、低噪声、零漂移、轨到轨输入及输出、可靠的热稳定性和对数以千计读数和(或)在恶劣工作条件下提供一致性能的可再现性,运算放大器的选择就会变得特别困难。精密放大电路会多一些电源去耦,滤波等特殊设计的电路。主要区别在于运算放大器上,精密运算放大器的性能比一般运放好很多,比如开环放大倍数更大,CMRR更大,速度比较慢,GBW,SR一般比较小。失调电压或失调电流比较小,温度漂移小,噪声低等等。好的精密运放的性能远不是一般运算放大器可以比得,一般运放的失调往往是几个mV,而精密运放可以小到1uV的水平。要放大微小的信号,必须用精密运放,用了一般的运放,它自身都会带入很大的干扰。要通过外围电路改善,小幅或者微调可以,但无法大幅度或者彻底改变。 常用的精密运放就是OP07,以及它的家族,OP27,OP37,OP177,OPA2333。其他的还有很多,比如美国AD公司的产品,很多都是OPA带头的。

3.高阻型集成运算放大器

    高阻型集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>(109~1012)W,IIB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

4.低温漂型运算放大器

    在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。常用的高 、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。

5.高速型运放

    高速型运放在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、mA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

6.低功耗型运放

    低功耗型运放由于电子电路集成化的 大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携运算放大器式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为±2V~±18V,消耗电流为50~250mA。目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。

7.高压大功率型运算放大器

    高压大功率型运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的 大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V,mA791集成运放的输出电流可达1A。

    相信通过上面的介绍,对不同使用条件下是否能使用同一种运放,显然是比较清楚的,实际选择集成运放时,还应考虑其他因素。例如信号源的性质,是电压源还是电流源;负载的性质,集成运放输出电压和电流的是否满足要求;环境条件,集成运放允许工作范围、工作电压范围、功耗与体积等因素是否满足要求。


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