1.1何谓运算放大器
1.1.1运算放大器的诞生
运算放大器简称OP,于20世纪40年代作为模拟计算机功能元件开发出来。要进行加减乘除的原始运算甚至微积分运算,只需在放大器中施加特殊的负反馈就可进行运算。
1.1.2作为理想元件处理
电路符号用三角形表示,左端为两个输入端,右端为输出端,标有+号的为同相输入端,-号的为反相输入端
运算放大器有如下三个基本参数,将具有这种特性的运算放大器成为理想运算放大器。
(1)电压增益
理想运算放大器的电压增益为无限大。电压增益是输出电压与两输入端间的电压的比值。
(2)输入阻抗
理想运算放大器的输入阻抗为无限大。这时,运算放大器两输入端无电流流通。
(3)输出阻抗
理想运算放大器的输出阻抗为零。不管负载大小如何,输出电压保持不变。
很可惜,实际的运算放大器不具有这样的特性,但除了追求极限的设计以为,设计时几乎所有的运算放大器都可认为是理想器件,这是与晶体管电路设计的不同之处,也是容易理解运算放大器电路设计的原因。
1.1.3增益仅由电阻比决定
将输出信号由输出端返回到标有-号的反相输入端称为负反馈,此时运算放大器的工作增益仅由电阻比决定。
1.1.4直流工作与交流工作不需要分开处理
一般地,一个封装中有两个运算放大器,因此,只用一个IC就可以同时构成反相放大器与同相放大器。若使用晶体管,只构成同相放大器就需要两个晶体管,需要考虑复杂的直流工作点。由于运放电路的工作点变为地电位,所以不需要像晶体管电路那样考虑直流工作情况,直流与交流工作可一起考虑。
1.2运算放大器的特性参数
1.2.1表示使用上极限值的“绝对最大额定值”
绝对最大额定值表示IC工作超过这个规定值时将引起元件损坏的参数的最大范围,设计时,绝对避免元件在工作中超过绝对最大额定值。
1.2.2表示工作时性能的“电气特性”
(1)输入失调电压
若将运放两个输入端接地,则理想运放的输出为零,但实际的运放输出不为零。此时,将用增益除直流输出电压得到的等效输入电压成为输入失调电压。 其值为数mV左右。改值越小越好,较大时工作增益受到限制。
(2)输入偏置电流
这是运放两输入端流进或流出直流电流的平均值。其值越小越好,较大时输入端接的电阻值会受到限制。
(3)输入失调电流
运放两输入端输入偏置电流之差的绝对值。温度变化会引起温漂,该值夜越小越好。
(4)输入电阻
运放两输入端间差动输入电阻。该值越大越好,但与输入失调电压和输入偏置电流相比,对运放工作的影响小,实用上可忽略不计。此外,运放输入端与地之间的共模输入电阻是输入电阻的10~1000倍,也可忽略不计。
(5)电压增益
也称为差动电压增益,运放将反相与同相输入端间电压以增益进行放大并输出,理想运放的电压增益为无限大。电压增益影响增益稳定度,其值越大越好,但该值较大的运放,电压增益为恒定的频率范围进一步变窄。
(6)最大输出电压
对于实际运放,若振幅变大,则输出信号接近正负电源电压而进入饱和状态,开始出现失真。通常,运放的饱和电压约为1.5v。饱和前的电压称为最大输出电压。另外,负饱和前电压到正饱和前电压的范围称为输出动态范围,可以输出到正、负电源电压的极限,这是表示理想特性的运放,成为满幅度输出运算放大器。
(7)共模输入电压范围
运放两输入端与地之间能加的共模电压的范围。若加的共模电压超过此范围,运放虽然没损坏,但作为放大器的功能消失了。放大器正常工作时,差模输入电压近似为零,共模输入电压范围等于正负电源电压时为理想特性,满幅度输出运算放大器接近这种特性。
(8)共模信号抑制比
在运放两输入端与地之间加相同信号时,输入、输出间增益称为共模电压增益,差模电压增益比共模电压增益称为共模信号抑制比,运放是将反相输入端与同相输入端之差值进行放大的元件,因此,共模电压增益为零时,运放为理想元件,但实际不这样,共模信号抑制比越大,增益稳定度越高,较小时,不仅是增益误差变大,而且信号的失真也增大。
由于频率增高时,共模信号抑制比降低,因此对于处理信号频率为1Khz以上的同相放大器,需要注意该值引起的误差。
(9)电源电压抑制比
正负电源电压变化时,该变化量出现在运算放大器的输出中,是将输出变化量换算为运放输入时的值。若电源变化时的变化量比此时的等效输入换算电压即为电源电压抑制比,该值越大越好,较小时输出中出现电源噪声。
(10)消耗电流
这是运放电源端流通的电流,它随外加电路与电源电压不同而变化,消耗电流越小越好,较大时运放发热增加。发热引起的最大问题是输出直流漂移增大。
(11)转换速率
若输入信号变化快,则运放输出不能跟踪其变化,转换速率是表示这种跟踪性能的参数,是每单位时间内变化的输出电压值,对于理想运放,该值为无限大,该值越大越好,但一般来说,该值大的运放其他特性较差。
(12)增益带宽乘积
这是运放电压增益-频率特性的参数,该值越大越好,但该值大的运放,其他特性较差。
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