硬件基础:运放

理想运算放大器

理想运算放大器放大倍数无穷大;输入端阻抗无穷大,所以输入端电流为0;输出电压和负载无关,不管负载怎么变化,输出电压都是固定的。

还有个就是输出阻抗为0;

输出阻抗越小,输出时就能不被衰减,越能得到接近理论的值;

当理想运算放大器引入负反馈时:

此时,输入端还是阻抗无穷大,所以输入无电流;另外就是两端输入的电压相等;

这两条就是运放最基本的概念:

虚短(正负输入端短接,电压相等)

虚断(输入阻抗无穷大,输入端电流为0)

注意,运放必须要有负反馈,否则无法实现其功能,因为它在设计上就是如此。

必须要有负反馈网络。

另外,运放是个有源器件,在工作时需要提供电源。

输入端分为同相输入端和反相输入端。

注意,运放既可以单电源供电,此时-VCC可以直接接地;也可以双电源供电,此时+VCC和-VCC接正向电源和负向电源两个电源;

有何区别呢?

单电源电压范围在0~+VCC之间,也就是说,无法输出比0更小的电压,即无法输出负电压,遇到负电压的时候,直接就输出0了,所以正负输入的时候,只能>=0输出;

双电源可以输出正负电压,所以正负输入的时候,也可以正负输出。

注意,负反馈是运放稳定放大倍数的关键。所以必须要有。

负反馈, 这里指的是作用在反相的反馈。

负反馈在自然界广泛存在,因为只有负反馈才能让状态达到平衡,小了就反馈后调大些,大了就反馈后调小些,然后达到平衡,才能稳定。

对于放大器来说,不管是哪种放大器,反馈都是作用在反相端。

同相放大器

记住:反馈永远都是反馈到反相。

同相放大器是指,输入信号是从同相端输入的。

此时,输入端接不接电阻都行,反正都是虚断的,电流为0。

其反馈的结构是先串两个电阻到地,然后从两个电阻中间反馈到反相端。

同相放大器特别适合于放大正向的直流信号。

因为输出信号的正负和输入信号的正负是一致的,不会反相,此时只要单电源供电就行了,节约成本。

同相放大器的放大倍数是1+Rf/Rg,我们可以对其稍加调整,就能使其放大倍数为Rf/Rg了,这样可以简化后续的计算过程。

调整后结构如下:

其实就是在同相信号输入端加入了两个电阻,因为虚断,所以这两个电阻实际上是串联关系。具体计算过程直接参考看的视频,这里就不赘述了。

同相加法器

跟同相放大器相比,就是在输入端有若干个输入源并联,并且各支路都要加上电阻。

一般都会让各支路的输入电阻相同。

其实可以用叠加定理求出输入端的等效输入电压,然后就是对等效输入电压进行放大。

本质上,还是个同相放大器,只是对输入端电压玩了一些花样。

反相放大器

记住:反馈永远都是反馈到反相。

但是和同相放大器不同的是,反相放大器的信号就是从反相端输入的,所以此时这两个电阻不是接地,而是直接接到输入信号。

然后,正相端接了地。

可以看到,反相放大器的输出和输入是反相的,放大倍数为-Rf/Rg。

试想下,如果Rf比Rg小,是不是就能当做衰减器来用?

理论上是这样,但有专家提到,当Rf比Rg小的时候,可能会出现震荡,不推荐这样来用。

反相放大器一般都要接双电源,因为交流情况下会有负值,正直流情况下还是负值,往往不太方便我们使用和计算。

反相加法器

反相加法器本质上就是个反相放大器,只是对输入端电压玩了一些花样。

就是把每个输入支路单独作用时的输出相加即可。

差分放大器

之前的同相或者反相,都是将某一端的信号进行放大。

差分放大器,是放大两端之差。

注意,是正相端电压减去反相端电压,不要弄反了。

放大倍数就是Rf/Rg。

这里的U0其实可以直接接地,此时,就没有基线抬升了。差分放大器一般可以将U0引出来,然后外部根据情况施加基线电平。

差分放大器同相端和反相端输入阻抗不相等。

运放缓冲器(电压跟随器)

运放可以设计成为运放缓冲器,或者叫电压跟随器。

同相输入电压是多少,输出电压就是多少。

既然电压不变,那为什么不直接接电源,反而要经过一个运放呢?

这就是为了克服电压源“有伴”的问题,即使电压源有寄生电阻,也不会影响影响到负载的电压。本来有伴的话,寄生电阻会分掉一部分电压,但是接了运放,就不会分压了。

运算过程如下:

Rf=0时,就没有放大倍数了,即实现了电压跟随的效果,同时因为虚断,电源寄生电阻也不会分压了。

特征就是:输出端直接和反相输入端短接。

这里反馈接不接电阻是一样的效果,因为输出=input,又因为虚短所以,input=反相端电压,由此可以,输出端电压就等于反相端电压,所以反馈上其实电流为0。

衰减器

看图

其实就是个电压跟随器,就是在输入端做了个分压,看着好像是被衰减了,其实在输入之前就已经被分压了。

恒流源

 

就是输出电流只和输入电压以及R0有关,与负载无关。

但是因为输出端没接地,是悬空的,所以不太好用。

暂时了解即可。

基线抬升

有两个基本事实:

1、处理直流信号比交流信号要更方便;

2、运放使用单电源供电会比双电源供电更能节省成本。

所以,很多时候,我们都会使用单电源来给运放供电,这样输出信号就能映射到0到+VCC之间了,使得后续对信号的处理更便捷。

但是有时候,我们的输入信号有正有负,而单电源供电时运放的输出只有正,如果有负电压输出,则不会正常输出对应的电压值。

怎么解决呢?

此时就可以将原电压值进行基线抬升,其实就是在原电压的基础上,加上一个恒定电压,这样就能保证所有的输出电压值都在0点以上。

运放的最大输出电压是+VCC,而正弦信号是上下对称的,所以一般抬个+VCC/2即可。

电容隔离单电源同相交流放大器

这种方案对低频信号不友好。

注意,R2要接到V+上;

直接耦合单电源同相放大器

注意,R2要接到V+上;

电容隔离单电源反相交流放大器

直接耦合单电源反相放大器

探究输入阻抗

运放的输出阻抗为0。所以我们重点研究下输入阻抗。

什么是输入阻抗?

简单理解就是从输入端看进去的等效电阻:

同相放大器的输入阻抗-无穷大

无穷大的那条路相当于断路。

变形的同相放大器的输入阻抗-Rf+Rg

无穷大的那条路相当于断路。

反相放大器的输入阻抗-Rg

无穷大的那条路相当于断路。

对于差分放大器来说:

反相端输入阻抗为Rg;正向端输入阻抗为R1+R2;我们一般取R1=Rg,R2=Rf;

此时:

反相端输入阻抗为Rg;正向端输入阻抗为Rg+Rf;

显然二者不相等;

也就是说,此时差分放大器的两端输入阻抗不相等,这有时会带来一些问题,那就是无法很好地抑制共模干扰。

如果需要提高共模抑制比,我们往往需要让差分放大器两端的输入阻抗相等。

经计算,当满足如下条件时,可实现这一需求:

这就是等输入阻抗的差分放大器,能更好地抑制共模干扰。

抗干扰

跨阻放大器

暂略……

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