運算放大器的作用(運算放大器的實際應用)

2021-01-10 電子發燒友

運算放大器（簡稱「運放」）是具有很高放大倍數的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網絡共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數學運算的結果。由於早期應用於模擬計算機中，用以實現數學運算，故得名「運算放大器」。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現，也可以實現在半導體晶片當中。隨著半導體技術的發展，大部分的運放是以單晶片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應用於電子行業當中。

運算放大器原理

運放如圖有兩個輸入端a（反相輸入端），b（同相輸入端）和一個輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當電壓U-加在a端和公共端（公共端是電壓為零的點，它相當於電路中的參考結點。）之間，且其實際方向從a 端高於公共端時，輸出電壓U實際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同。為了區別起見，a端和b 端分別用「-」和「+」號標出，但不要將它們誤認為電壓參考方向的正負極性。電壓的正負極性應另外標出或用箭頭表示。反轉放大器和非反轉放大器如下圖：

一般可將運放簡單地視為：具有一個信號輸出埠（Out）和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可採用運放製作同相、反相及差分放大器。

運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對於雙電源供電運放，其輸出可在零電壓兩側變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。採用單電源供電的運放，輸出在電源與地之間的某一範圍變化。

運放的輸入電位通常要求高於負電源某一數值，而低於正電源某一數值。經過特殊設計的運放可以允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區間變化，甚至稍微高於正電源或稍微低於負電源也被允許。這種運放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運算放大器。

運算放大器的輸出信號與兩個輸入端的信號電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0（E1-E2），其中，A0 是運放的低頻開環增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的輸入信號電壓，E2 是反相端的輸入信號電壓。

運算放大器的實際應用——比較器

當去掉運放的反饋電阻時，或者說反饋電阻趨於無窮大時（即開環狀態），理論上認為運放的開環放大倍數也為無窮大（實際上是很大，如LM324運放開環放大倍數為100dB，既10萬倍）。此時運放便形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當正輸入端電壓高於負輸入端電壓時，運放輸出低電平。

圖中使用兩個運放組成一個電壓上下限比較器，電阻R1、R1ˊ組成分壓電路，為運放A1設定比較電平U1；電阻R2、R2ˊ組成分壓電路，為運放A2設定比較電平U2。輸入電壓U1同時加到A1的正輸入端和A2的負輸入端之間，當Ui >U1時，運放A1輸出高電平；當Ui 《U2時，運放A2輸出高電平。運放A1、A2隻要有一個輸出高電平，電晶體BG1就會導通，發光二極體LED就會點亮。

若選擇U1>U2，則當輸入電壓Ui越出［U2，U1］區間範圍時，LED點亮，這便是一個電壓雙限指示器。

若選擇U2 > U1，則當輸入電壓在［U2，U1］區間範圍時，LED點亮，這是一個「窗口」電壓指示器。

此電路與各類傳感器配合使用，稍加變通，便可用於各種物理量的雙限檢測、短路、斷路報警等。

運算放大器的實際應用——單穩態觸發器

此電路可用在一些自動控制系統中。電阻R1、R2組成分壓電路，為運放A1負輸入端提供偏置電壓U1，作為比較電壓基準。靜態時，電容C1充電完畢，運放A1正輸入端電壓U2等於電源電壓V+，故A1輸出高電平。當輸入電壓Ui變為低電平時，二極體D1導通，電容C1通過D1迅速放電，使U2突然降至地電平，此時因為U1》U2，故運放A1輸出低電平。當輸入電壓變高時，二極體D1截止，電源電壓R3給電容C1充電，當C1上充電電壓大於U1時，既U2>U1，

A1輸出又變為高電平，從而結束了一次單穩觸發。顯然，提高U1或增大R2、C1的數值，都會使單穩延時時間增長，反之則縮短。

如果將二極體D1去掉，則此電路具有加電延時功能。剛加電時，U1》U2，運放A1輸出低電平，隨著電容C1不斷充電，U2不斷升高，當U2》U1時，A1輸出才變為高電平。

運算放大器的實際應用——同相交流放大器

同相交流放大器的特點是輸入阻抗高。其中的R1、R2組成1/2V+分壓電路，通過R3對運放進行偏置。電路的電壓放大倍數Av也僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4，電路輸入電阻為R3。R4的阻值範圍為幾千歐姆到幾十千歐姆。也可以實現反向交流放大器。

運算放大器的實際應用——有源濾波電路

有源濾波器是指利用放大器、電阻和電容組成的濾波電路，可用在信息處理、數據傳輸、抑制幹擾等方面。但因受運算放大器頻帶限制，這種濾波器主要用於低頻範圍。 下面選擇兩個實例應用。

運算放大器的實際應用——無源濾波電路

濾波電路的作用：允許規定範圍內的信號通過；而使規定範圍之外的信號不能通過。濾波電路的分類：

低通濾波器：允許低頻率的信號通過，將高頻信號衰減； 高通濾波器：允許高頻信號通過，將低頻信號衰減；

帶通濾波器：允許一定頻帶範圍內的信號通過，將此頻帶外的信號衰減； 帶阻濾波器：阻止某一頻帶範圍內的信號通過，允許此頻帶以外的信號衰減；

僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成的濾波電路，為無源濾波電路。它有很大的缺陷如：電路增益小，驅動負載能力差等。為此我們要學習有源濾波電路。

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