关于运算放大器

运算放大器(Operational Amplifier), 简称运放, 是一种直流耦合, 差模输入, 单端输出(Differential-in, single-ended output)的高增益电压放大器件. 运放能产生一个比输入端电势差大数十万倍的输出电势. 因为刚发明时主要用于加减法等运算电路中, 因而得名运算放大器.

运放的基本特性

• 运算放大器有两个输入: 反相输入(-), 同相输入(+). 反相和正相是输出的变化相对于输入的变化而言的.
  • 如果同相输入的电压高于反相输入的电压, 输出高电平
  • 如果反相输入的电压高于同相输入的电压, 输出低电平
• 运放的输入端都是高阻态, 电流非常小或者几乎没有电流, 所以信号接入后, 对信号电压几乎没有影响.
• 当同相输入(+)和反相输入(-)的电压有差异时, 输出电压总是更偏向同相输入(+)这端的电压. Output voltage is always more like the voltage at the non inverting input (+), than the voltage at the inverting input (-)
• 不接任何反馈: 输出电压只会处于两种状态, 接近供电正电压的高电平或者接近负电压(接地时负电压为0)的低电平
  • 如果同相输入(+)电压高于反相输入(-), 输出高电平
  • 如果同相输入(+)电压低于反相输入(-), 输出低电平
  • 对于同相放大或比较电路, 参考电压在反相输入(-)端, 信号从同相输入(+), 信号电压的高低和输出电压的高低成正比.
  • 对于反相放大或比较电路, 参考电压在同相输入(+)端, 信号从反相输入(-), 信号电压的高低和输出电压的高低成反比.
• 只接入负反馈: 当全部或部分的输出电压, 接入到反相输入(-)时, 称为接入负反馈. 此时输出电压会在供电电压允许的范围内自动调节, 直至反相输入(-)的电压和正相输入(+) 的电压相同.
• 只接入正反馈: 如果全部或部分的输出电压, 接入到同相输入(+), 则称为接入正反馈. 因为输出电压总是更偏向同相输入(+)这端, 所以很难通过正反馈让反相输入(-)电压翻转到同相输入(+)的另一侧.
• 同时接入正负反馈. 假设初始状态反相输入(-)高于同相输入(+), 产生输出为低电平, 低电平会降低反相输入(-)端的电压, 接近同相输入(+)端电压直至超过, 而后因为反相输入(-)低于同相输入(+), 输出切换方向变为高电平, 再次拉高反相输入(-), 使得反相输入(-)高于同相输入(+), 然后无限循环.

通常使用运放时, 会将输出端与反相输入(inverting input)连接, 形成负反馈组态, 原因是运算放大器的电压增益非常大, 使用负反馈可保证电路的稳定运作. 而在需要产生震荡信号的系统中, 可以使用运放组成正反馈组态.

常见应用

分析运放电路, 主要看这几处

1. 有没有信号输入, 接入在哪一端, 同相输入同相输出, 反相输入反相输出
2. 反馈一般都有, 接到哪一端, 放大, 恒压或恒流会接入反相, 而脉冲和方波等振荡电路会接入同相
3. 有没有参考基准, 接入哪一端, 和反馈是不是在同一个接入

电压跟随器

这个电路直接将输出作为负反馈, 因为运放的同相输入反相输入电压趋于一致, 当 $V_{in}$ 发生变化时, 为了保持 $V-$ 与 $V+$ 一致, 需要 $V_o=V_{in}$, 就使得输出电压与输入电压一致, 形成了电压跟随的效果. 在实际应用中, 可以用这种形式将电压转换为电流. 由于 $V+$ 对外呈现高阻态(输入电阻从几百KR到几百MR甚至GR), 这种电路可以传递驱动能力非常弱的电压信号.

同相信号放大

放大直流信号是运放最常见的使用场景

这个电路的信号输入在 $V+$, $V-$ 将输出电压分压后接入作为负反馈, 同相不变, 反相变化.

根据运放的同相输入反相输入电压趋于一致的原则, 为保持 $V+$ 与 $V-$ 电压相等, $V_o$ 的电压会趋近于 $V_o=V_{in}\ast \frac{R_1+R_2}{R_1}$ , 当$R_1=1MR$, $R_2=10KR$ 时, 就会产生100倍的放大.

信号反相器, 反相放大

这个电路的同相输入接地, 同相不变, 反相变化

$V+$ 为固定的0V, 因此输出仅受 $V-$ 处分压的结果影响. 因为 $V-$的稳态电压就是 0V, 当输入电压为 $V_{in}$时, 为使 $V-=0$, 需要 $V_{out}=V_{in}\ast (-\frac{R_f}{R_i})$ , 对输入信号产生了反向的放大.

电压基准,稳压电源

这个电路的同相输入和反相输入都是固定的

MC1403 是一个精确输出2.5V电压的电压基准芯片, 电流驱动能力只有10mA. 通过上面的电路, 可以增大电流驱动能力, 如果调节 $R_1$ 和 $R_2$ 的比例, 就可以将输出的电压基准范围扩大到 2.5V ~ $V_{CC}$

恒流电源

基于运放的最简单的恒流电路. 同相不变, 反相不变

$V+$ 通过电阻分压得到了固定的电压, $V-$ 端通过 1KR 电阻接地, 因为运放的同相输入反相输入电压一致, 所以1KR电阻的电流是固定的, 带来的效果就是无论负载 LOAD 如何变化, 电流固定, 形成了恒流的效果.

上面电路的电流输出能力是很弱的, 一般放大器的输出短路电流只有40 ~ 60 mA. 可以使用MOS管或三极管形成灌电流, 提升电路的电流输出能力.

使用PNP三极管的电路

通过并联多个三极管(或MOS管)进一步提升驱动能力

脉冲输出

因为反馈同时接入同相和反相输入, 这不是稳态电路. 对于左侧的电路

• 当 $V_o>V-$ 时, 二极管导通, 往电容充电, 当电容电压与 $V_o$ 相等时, 二极管截止, 电容通过 $R_2$放电, 之后电压回落, 会导致二极管再次导通, 持续循环
• 当 $V-$ 上升到高于 $V+$时, $V_o$ 变为低电平, 当 $V-$ 下降到低于 $V+$时, $V_o$ 变为高电平

对于右侧的电路, 区别仅在于 $V-$ 上升到 $V_o$ 变为低电平后, 是通过上面的二极管往 $V_o$ 放电

方波输出

从上方右图可以看到, 电流的正反向其实是相通的, 两个电阻只是控制了充电和放电的速度, 如果将并联的电阻和二极管组合合并, 使得充放电使用同样的电阻, 就可以得到方波输出

常用型号

• LM741, 输入阻抗 6MR, 输出电流 40mA, 带宽 1.5MHz
• LM358, 供电 32V, 输入阻抗 10MR, 输出电流 60mA, 带宽 1MHz
• LM324, 供电 32V, 输出电流 60mA, 带宽 1MHz
• NE5532, 供电 15V, 输入阻抗 300KR, 输出阻抗 0.3R, 输出电流 60mA, 带宽 10MHz
• OP07, 供电 15V, 输入阻抗 50MR, 输出阻抗 60R, 带宽: 0.6MHz
• LM339

参考

• Op Amp Basics – Operational Amplifier
  https://electronzap.com/how-to-learn-basic-electronics/op-amp-basics-operational-amplifier/
• Current Source using Op Amp
  https://electronzap.com/how-to-learn-basic-electronics/op-amp-basics-operational-amplifier/current-source-using-op-amp/
• High power opamp-based constant current source circuit
  https://electronics.stackexchange.com/questions/470764/high-power-opamp-based-constant-current-source-circuit