运算放大器基础知识

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前言

电路设计时候总是需要运算放大器,但是我一直不知道运算放大器的选型参数,还有运算放大器的原理。

比如:选算放大器的带宽有什么作用?为什么要特意标注出运放的带宽?

我们都知道晶体管可以制作放大电路,利用电流控制的三级管、又或是基于电压控制的场效应管。在利用晶体管制做放大电路时,我们需要根据不同的放大倍数改变电路中电阻及电容大小,这是非常不方便的,所以我们引入了反馈的概念,得出

运算放大器


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可得Y=A

X/(F

A+1),因为A是通用放大器的增益,为无限大,所以可化简为

Y=X/F

,通过调节反馈系数F来调节系统增益,实现不同的运算,所以称为

运算放大器



反馈系数F的调节相对于调节晶体管的外围电路需要考虑的因素要少很多,基本只需要考虑电阻阻值大小,这是非常方便的!




一、运放内部电路原理?


运放本质上就是一堆晶体管组成的集成电路

,会被封装成芯片模样,常见的有8脚或者14脚。

我们以LF411芯片为例子,看一下其内部的电路结构:

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对该芯片内部详细结构进行简化后得下图所示的简化结构图:


1.

首先是I1、J1、J2和Q3组成

差分输入级

,J1和J2使得电路具有高输入阻抗,恒流源I1提供静态偏置电流,是恒流源偏置电路,具有高共模抑制比的效果。Q3为恒流源负载,提高核心放大器J2的电压增益。


2.中间级放大

:I2和Q5,是一个共射级放大电路,I2为恒流源负载,提高核心放大器Q5电压增益。

3.D2、D3、Q8和Q9组成克服交越失真的

互补推挽输出级


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多数运放内部的结构框图如下:

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运放简化原理图:

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当V+>V-,则输出端电压接近于Vs+,反之Vout接近于Vs-。

下面是LM741运放内部结构:

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二、运放的参数和特性



1.输入输出特性曲线

下图为理想运放的输入输出特性曲线:

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运放处于深度负反馈状态,运放工作在线性区域

,有“虚短”和“虚断”现象, 运放加入正反馈,则工作在非线性工作区域,



2.主要参数


开环电压增益

:一般很大,10万倍甚至100万倍


输入失调电压

:一般很小,AD8065的输入失调电压为1.5mV


输入偏置电流

:MOSFET的运放输入偏置电流一般低于nA,如AD8065的输入偏置电流为1pA


输入失调电压温度漂移




输入失调电流的温度漂移



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共模抑制比

:AD8065:-100dB


压摆率

:100v/uS


建立时间



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单位增益带宽(增益为0时候对应的信号的工作频段)




-3dB增益带宽

:145MHz

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三、运放常用应用



1.加法器

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运发的“虚短”和“虚断”只出现在其线性工作区域,也就是引入负反馈。基于此可以制造各种运算电路。



2.减法器

上图就是一个加法器,下图是减法器:

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Vo=V1-V2



3.读书电路和指数电路


对数电路:


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指数电路:


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4.乘法器和除法器

基于以上电路就可以得到乘法器和除法器:

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5.乘方和开平方根电路


乘方电路:


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开平方根电路:


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6.积分电路

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7.微分电路

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8.PID电路



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