Proteus | 运算放大器的妙用
来源: | 作者:Labcenter | 发布时间: 2023-07-20 | 927 次浏览 | 分享到:
运算放大器或“Op Amps”有 五 个主要的部分:比较器、缓冲器、放大器、带磁滞的比较器(施密特触发器)、运算放大器规格


运算放大器或“Op Amps”有 五 个主要的部分:

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VS+ 和 VS- 称为电源轨,为运算放大器供电。从概念上讲,VOUT 可以输出介于 VS+ 和 VS- 之间的任何电压;在实践中,它被限制为略小于VS +/大于VS-,具体取决于特定的运算放大器和负载(从运算放大器汲取多少电流)。这是由于内部晶体管上的电压降。

V+和V-是运算放大器的输入端,是差分输入端,即运算放大器根据这两个输入端的差值工作。顾名思义,运算放大器对差分输入进行放大(倍增),然后将其传递到输出端。大多数运算放大器的倍增值或增益都非常高,约为100,000倍,但我们可以使用一些技术使运算放大器具有更合理的增益(例如2倍或10倍),我们将在下面的章节中看到这一点。V+也称为同相输入,V-为反相输入。

比较器

比较器是一种比较两个模拟电压,然后根据哪个电压较高的电压产生二进制数字输出(高或低,1或0,真或假)的器件。换句话说,比较器回答了这个问题:V+高于V-吗?

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在上例中,我们将运算放大器的正极电源连接到+5V,负极电源连接到0V(接地)。V-由分压器(电阻R1和R2)提供+2.5V基准电压。运算放大器提出的问题是:V+是否大于2.5V?

当V+(黄色迹线)高于2.5V(红色迹线)时,输出(绿色迹线)变为高电平/真(+5V),当V-低于2.5V时,输出变为低电平/假电平(0V/GND)。

通过更改 V- 处的值,我们可以更改问题 – 例如,V+ 是否大于 1V?

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缓冲器

运算放大器的输入是高阻抗的,这意味着它们不会消耗相对较大的电流。当提供给运算放大器的源信号也是高阻抗时,这一点尤为重要,这意味着它不能提供很大的电流,否则信号会失真,因为运算放大器或负载的电流会将电压拉低。

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在上面的例子中,负载的输入是高阻抗的(1k电阻限制可以提供的电流)。结果,信号(黄色迹线)在到达负载时严重失真(绿色迹线)。

通过将运算放大器的输出反馈回V-,我们可以使运算放大器的增益(乘数)达到1(单位),运算放大器将从其电源轨(低阻抗)提供额外的电流。

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由于构成运算放大器的内部元件上的压降,我们可以看到,在这种负载下,运算放大器的输出电压最高为2.5V,但是我们可以通过为运算放大器正极供电+9V来解决这个问题:

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通过在缓冲配置中使用运算放大器,并为其提供足够的功率/电压,我们可以将高阻抗源转换为低阻抗输出。

为了解缓冲器配置的工作机制,请考虑以下三种情况(请记住输出和V-相连):

正差分输出:V+ > V-。运算放大器乘以差分并增加输出电压,从而增加V-处的电压并减小差分输入的大小。

负差分输出:V+ < V-。运算放大器使差值成倍并降低输出电压,从而也降低了V-处的电压,并再次减小了差分输入的尺寸。

零差分输出:V+ = V-。运算放大器输出保持不变。

我们可以看到,运算放大器将始终调整输出/V-,以减少差分输入,直到输出与 V+ 输入相匹配并保持稳定。另一种说法是输出跟踪 V+ 输入。

放大器

最后,我们来看看运算放大器的同名实现——实际放大。通过将反馈缩放到 V- 输入,我们可以在输出上获得 1 以外的增益(倍增)。

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在上面的例子中,我们有一个0.5V 1kHz正弦波输入,其中心电压为2.5V。请注意,我们还再次为正电源提供+9V电压。分压器上的比率为1:1,反馈到V-输入,增益为2。输出可能不完全符合您的预期,因为它以 5V 为中心,但从技术上讲,这是正确的——所有电压都乘以 2。2.5V中心变为5V,3V峰值变为6V,2V波谷变为4V(2V-3V之间的1V峰峰值幅度乘以4V-6V之间的2V峰峰值幅度)。

如果我们要选择2.5V作为放大的中心电压(或偏移电压),那么我们必须将增益反馈电压参考至+2.5V(必要时可由单独的缓冲运算放大器提供):

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现在我们的峰值为3.5V,波谷为1.5V,这仍然提供2V的峰峰值幅度(因此增益为2倍)。

当然,我们也可以通过向运算放大器的负电源轨提供负电压(当然也可以向V+输入端提供以0V为中心的输入信号),实现以0V为中心的输入和输出:

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通过改变反馈分压器的比率,我们可以改变增益,例如下面的3:1分压器可以获得4倍增益:

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带磁滞的比较器(施密特触发器)

滞后可以描述为不愿改变。滞后本质上是说,一旦我改变了,就需要说服我再次改变。当输入在阈值附近徘徊时,这对于防止输出翻转(快速变化)非常有用。例如,我们可能有一个风扇,当温度高于30°C时打开;我们可能会发现,风扇一打开,温度就下降到30°C以下(例如29.99°C),导致风扇再次关闭。风扇一关闭,温度又回升到30°C,风扇再次打开。

这个循环可能会非常迅速地重复,这既可能损坏风扇电机,又会让附近的任何人感到烦恼。向该系统添加滞后意味着:当温度达到 31°C 时风扇打开,但在温度降至 29°C 以下之前可能不会再次关闭。

通过将输出反馈回 V+ 输入,可将磁滞添加到比较运算放大器配置中:

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在这种情况下,我们可以看到输出在2.5V阈值之后迟迟不发生变化,直到输入再超出约1V。

通过在输入中添加一些噪声,我们可以看到磁滞的作用:

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在上述电路中,当噪声输入超过阈值时,输出会快速打开和关闭。

加上磁滞后,我们就得到了一个简洁的单开关:

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运算放大器规格

当然,有许多不同型号的运算放大器可供选择,其规格和成本各不相同。其中一些规格包括运算放大器对输入变化的反应速度(带宽,这将决定运算放大器可处理的最高频率)、运算放大器可工作的最高电压、输出与电源电压(轨)的匹配程度、运算放大器可输出的电流大小等;在供应商网站上进行参数搜索和数据表检查,将有助于为特定应用选择正确的运算放大器。

小结

算放大器是模拟信号处理电路的重要组成部分,在数字应用中也可用作比较器。Proteus为设计和测试运算放大器电路提供了大量工具和示例设计,包括基于图形的静态分析和实时交互仿真。741 噪声分析示例的特点是,741 运算放大器完全取自集成电路的内部元件,因此可以进行更详细的分析。


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