介绍
运算放大器俗称运放,是一种双输入单输出差分电压放大器,具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的特点。
运算放大器之所以这样称呼,是因为它起源于模拟计算机,主要用于进行数学运算。
根据其反馈电路和偏置,运算放大器可以进行加法、减法、乘法、除法、求反,有趣的是,甚至可以执行微积分运算,例如微分和积分。
今天,运算放大器是电子电路中非常流行的构建块。运算放大器用于各种应用,例如交流和直流信号放大、滤波器、振荡器、稳压器、比较器以及大多数消费和工业设备。
运算放大器对温度变化或制造变化的依赖性很小,这使其成为电子电路中的理想组成部分。
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运算放大器的基本电路如上图所示。运算放大器具有差分放大器输入级和射极跟随器输出级。实际运算放大器电路比上面显示的基本运算放大器电路复杂得多。
晶体管 Q1 和 Q2 构成一个差分放大器,其中差分输入电压施加到 Q1 和 Q2 的基极端子。晶体管 Q3 用作射极跟随器并提供低输出阻抗。
基本运算放大器电路 VOUT的输出为:
VOUT= VCC–VRC– VBE3
VOUT = VCC – IC2RC – VBE
其中,VRC是电阻器 RC两端的电压,VBE3是晶体管 Q3 的基极-发射极电压。
假设晶体管Q1和Q2是匹配晶体管,即它们具有相等的VBE电平和相等的电流增益。如果两个晶体管的基极端都接地,则发射极电流 IE1和 IE2相等,并且 IE1和 IE2 都流过公共电阻器 RE。发射极电流由下式给出,
IE1+ IE2= VRE/ RE
如果 Q1 和 Q2 都接地,
0 – VBE–VRE+VEE= 0
即 VRE= VEE– VBE
因此,IE1+ IE2= (VEE– VBE) / RE
当正电压施加到同相输入端时,Q1 的基极被输入电压拉高,其发射极端跟随输入信号。由于 Q1 和 Q2 发射极连接在一起,Q2 的发射极也被同相端的正输入上拉。
Q2 的基极接地,因此其发射极的正电压导致其基极-发射极电压VBE2降低。VBE2的降低 导致发射极电流 IE2降低,因此 IC2也降低。
可以注意到,引脚 #3 的正输入提供正输出,因此称为非反相输入端子。
运算放大器符号
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笔记:
·如果将输入信号施加到任一输入端子到另一个接地的输入端子,则该操作称为“单端”。
·在单端操作中,由于共发射极连接,应用单个输入驱动两个晶体管。因此,获得的输出由两个集电极驱动。
·如果将两个输入信号应用于两个输入端子,则该操作称为“双端”。
·在双端操作中,施加到两个输入端的输入差异驱动晶体管,而获得的输出由两个集电极驱动。
·如果将相同的输入应用于两个输入,则该操作称为“共模”。在共模操作中,两个输入端的公共输入信号在每个集电极上产生相反的信号。
·这些信号被抵消,导致输出信号为零。实际上,相反的信号不会完全相互抵消,并且会在输出中产生一个小信号。