运放电路的工作原理

运放电路的工作原理

-

DOI:10.19392/.1671-7341.201815201

运算放大器的工作原理及应用

胡玉松

西华师范大学电子信息工学学院 四川南充 637000

摘 要:随着电子技术的飞速发展,运算放大器在模拟电路中发挥了越来越重要的作用,在电子领域的应用十分广泛,如汽车

电子、通信电子产品、消费电子产品等。运算放大器的特点便是可以实现对信号的计算,制成集成电路之后,具有体积小、性能稳

定、应用灵活等优点。文章主要分析了运算放大器的工作原理,并针对运算放大器的特点,分析了对应的具体应用策略。

关键词:集成运算;工作原理;实际应用

运算放大器是模拟电路领域最常用的电子器件之一,属于

有源元件,具有多个端钮,可以实现对信号的加减乘除、比例运

算、微分和积分等计算,也可以用来处理电信号,如比较和选择

信号的幅度。如今运算放大器凭借其优点广泛应用于自动控

制系统、各种测量装置中,对电子科技的发展有着重要的意义。

同时,运算放大器作为新兴的科技,在教学过程中一直都是重

点和难点,许多教师往往都不知道应该如何教学,同学们更是

大都难以理解其原理,在分析电路的时候就难以下手,更不用

说应用计算了。

一、运算放大器的基本原理

为了了解掌握运算放大器,首先就要清楚它的工作原理。

运算放大器有三个端口,其中有两个输入端口,分别为“

+

”和“-”;一个输出端口,常用渧表示。当输入信号从“-”端口输入

放大器时,输出端的输出信号与输入信号反相;反之,当输入信

号从“

+

”端口输入放大器时,输出端的输出信号与输入信号同

相;当两个输入端口同时输入信号时,运算放大器实现减数运

算,输出信号与较大的一方同相。所以说,运算放大器基本上

可以说是一个电压放大器,主要有以下特点:(1)输入电阻很

大,一般在2MΩ以上。对于理想运算放大器来说,输入电阻R=

∞

,也就是说,理想运算放大器输入端口之间没有电流流过,

所以有“虚断”的理想放大器电路研究方法。(2)输出电阻很

小,一般在100Ω之内。由于输出电压便是由输入端口控制的

受控源两端的电压,所以运算放大器的输出电阻就是受控源的

内阻,而理想受控源内阻为零,故理想运算放大器输出电阻为

零。(3)电压放大倍数很高,一般可高达20万倍以上。理想运

算放大器的放大倍数为无穷大,则两输入端口电压相等,所以

有“虚短”的理想放大器电路研究方法。

从根本上讲,运算放大器也可以看做物理模型中的杠杆模

型。由于放大器的工作性质,易知输出电压由两个输入端口电

压及放大倍数共同决定,其中放大倍数可以视为运算放大器的

力矩比,两端口电压值差可视为杠杆上施加的动力。当二者反

相时,可视为支点在杠杆中间某位置,输入电压与输出电压在

杠杆两端,一端升起一端下降,此时可理解为输出电压相比于

输入电压落后180°;当二者同相时,可视为支点在杠杆一端,输

出电压与输入电压在支点的同一端,两者同时升起和下降。

正弦波的输入可以理解为杠杆的输入端在竖直平面内做

匀速圆周运动,该旋转圆等同于正弦波信号,可设为输入端的

信号圆,输出端同理可设为输出端的信号圆。输入、输出信号

圆的大小之比扥估输入阻抗与反馈阻抗的比,信号圆的半径即

为正弦波的幅值。

二、运算放大器的应用

不同类型的运放组合可以形成近百种运放系列,按功能和

性能划分,可以分为通用运放和专用运放,其中专业运放又分

为高速运放、宽带运放、低功耗运放、高输入阻抗运放等,根据

运放种类不同也有不同的功效。

运算放大器最典型的应用就是放大电路。与电压的输入

端口有关,放大电路分为同相放大器和反相放大器,如果放大

交流信号则需要采用隔直耦合电容,顾名思义,隔直耦合电容

是隔断直流信号的,对于直流信号的放大自然不需要。放大电

路的放大倍数通常设置在100倍左右,如果增益过高则会引起

电路的震荡,形成一些不必要的麻烦,因而若是想放大更多的

倍数,最好用多个增益效果相同的运算放大器级联,效果也比

用一个运放更好。同样的,有放大电路就有衰减电路。集成运

算放大器也可以组成衰减器,其原理与放大电路类似,只不过

是反向增益,所以得到的效果截然相反。

除了上述提到的运算放大器的一些简单应用,一些精密运

放还可以应用在高端的仪器中。以AD517为例,它是一种单片

高精密运算放大器,拥有激光调整的低失调电压、低漂移等精

密特性,同时具有内部补偿和短路保护,能防止自锁,具有超低

偏置电流电路,偏置电流最大值1nA。AD517可以组成微电流-

电压转换器,具有较高的灵敏度,本来的失调电压漂移和噪声

等误差会被增益放大以致影响仪器性能的缺点也被AD517的

精密性所弥补。在转换器的外部加上一层防护体作为屏蔽层

以减少噪声的影响,便可以应用到需要的地方,且性能极佳。

在实际应用中,运放的选择必须要综合考虑到设计目的、

目标的信号电平、闭环增益、所需的精度以及环境条件等其他

因素,并将需求性能转化为运算放大器的对应参数。这就需要

设计者深刻理解运算放大器的各个指标,以及不同运放的特

性,同时考虑到最优性能和性价比,既要达到设计目的,又不能

浪费资源。

三、结语

运算放大电路虽难,但是不管多复杂的电路,只要运用合

适的方法,抓住运放电路的基本特点,所有的问题都可以解答。

引用杠杆原理,对运算放大器进行深度剖析,可以较为直观地

解析运算放大器的工作特性,了解运放的基本特点。总而言

之,运算放大器主要用于处理信号,有两输入一输出共三个端

口,输入电阻较大,输出电阻很小。理想运算放大器输入电阻

无穷大,输出电阻为零,即拥有“虚短”和“虚断”的分析方法。

信号的放大分为同相和反相,主要放大方式有比例运算方大、

加减运算放大、微分和积分运算放大、指数和对数运算放大等。

运算放大器可以级联,且不影响自身的输入———输出关系。

参考文献:

[1]黎昕,郑宏军.集成运算放大器的选择策略与应用技术

[J].仪表技术,2014,(1):67-68.

[2]孙正鼐,史普帅,张华强.运算放大器工作原理的深度

剖析[J].电子技术应用,2015,(8):34-38.

[3]龙晓庆.单电源集成运算放大器的应用探讨[J].大众

科技,2016,(12):14-15.

作者简介:胡玉松(1989-),男,汉族,四川广元人,硕士,助

教,研究方向:集成电路设计、电路与系统。

032

经验交流科技风2018年5月