运算放大器的应用(applications of Op Amps)

官方工学老师·21 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·2 天前
运放应用模拟电路信号调理电路设计

运算放大器的应用

从同相/反相放大到仪表放大与有源滤波,搞懂每种电路的推导与边界

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运放应用模拟电路信号调理电路设计

运算放大器的应用

从同相/反相放大到仪表放大与有源滤波,搞懂每种电路的推导与边界

1第 1 页 · 运算放大器的应用

理想运放模型

上页看到运放能做放大、滤波、比较等许多功能。工程师分析时并不是在处理那几十个晶体管的真实结构,而是先抓住『理想运放』模型——真实运放已经非常接近它。

无限开环增益 A→∞
两输入端电压哪怕只差微伏,输出也能被驱动到接近电源轨的极限
无限输入阻抗 Rin→∞
输入端几乎不吸取电流,相当于『只听不取』,对前级信号源毫无扰动
零输出阻抗 Rout→0
输出端是理想电压源,无论接多大负载,输出电压都不会跌落
一套理想的演出扩声系统对应 →理想运放

麦克风灵敏不抢气息(高输入阻抗);功放顶满不掉音量(低输出阻抗);轻哼一声全场听到(高增益)

2第 2 页 · 理想运放模型

运放符号与引脚

沿信号箭头从“+、-”输入端读向输出端:运放主体做差并放大,V+、V- 为内部电路供能。

图解渲染中…
a1线性区内,另一端固定时该端升高,输出升高a3线性区内,另一端固定时该端升高,输出降低a4单端输出;v_o 通常以电源公共端为参考a5正供电轨;双电源时 a6 为负供电轨
3第 3 页 · 运放符号与引脚

非理想运放特性

上一页谈的理想模型说输入端不取电流——真实运放做不到。看三个最常被忽视的小毛病。

偏置电流
输入晶体管维持工作所需的微小直流电流,量级 nA~μA
失调电压
让输出归零所需在输入端额外加上的微弱电压差,约 μV~mV
有限增益带宽积
增益×带宽为常数,频率越高增益越小,决定高频可用上限
完美招聘启事对应 →理想运放

偏置=底薪必须发,失调=总迟到,GBW=一人只专注一件事

Av(f)=GBWfA_v(f) = \dfrac{GBW}{f}
4第 4 页 · 非理想运放特性

虚短与虚断原理

从理想运放的两条假设出发,推导出分析运放电路的两大核心法则。

图解渲染中…
b1同相端与反相端电位近似相等b2两输入端电流近似为零
5第 5 页 · 虚短与虚断原理

同相放大器

沿箭头读:信号从Vin经运放推导出Av公式的完整路径。

图解渲染中…
a1Vin直接接同相端,不经输入电阻a4虚断保证R1与Rf上电流大小相等a5Vout由反相端电位加上Rf压降构成
6第 6 页 · 同相放大器

反相放大器

按箭头方向读:主路走信号流(Vin→Vout),下方支路读增益公式与相位。

图解渲染中…
A4虚短使反相端电位≈0,故称虚地A8负号源于电流方向,输出与输入反相
7第 7 页 · 反相放大器

电压跟随器

传感器能测出 mV 级微弱电压,可一旦后端接上电阻或长导线,电压就被拉低失真。如何让源信号既保精度又能驱动重载?这就要请出电压跟随器——看似只做「转手」的中转站。

拓扑结构
输出端直接短接到反相输入端,信号从同相端进入
单位增益
Vout = Vin,电压信号原样输出,不放大也不缩小
极高输入阻抗
对前级信号源几乎不取电流,不造成负载效应
极低输出阻抗
即便后级是低阻重载,输出电压也几乎纹丝不动
阻抗变换器
本质是隔离缓冲,把「脆弱源」和「重负载」解耦
扩音喇叭对应 →电压跟随器

说话人不用大声喊,喇叭把原话原样放大播出——电压不变,但能驱动整个礼堂的听众,前级也不累

Vout=VinV_{\text{out}} = V_{\text{in}}
8第 8 页 · 电压跟随器

加法放大器

看电流如何在虚地节点汇合:三路输入各自贡献 Vi/Ri 的电流,反馈电阻 Rf 收集总和,倒相输出加权求和。

图解渲染中…
N虚短+虚断使反相端电位≈0,多路电流在此叠加Rf反馈电阻,把求和电流转成输出电压,权重=Rf/RiA运放只做高增益变换,权重完全由外接电阻决定
9第 9 页 · 加法放大器

差分放大器

放大两信号之差,抑制共模成分

差分放大器
放大两信号之差,抑制共模成分
10第 10 页 · 差分放大器

积分器

图示反相积分器信号通路:Vin 经 R 到虚地节点,运放输出由 C 反馈形成积分关系。

图解渲染中…
Sum虚短+虚断:v-=v+=0,此点不消耗电流C积分元件:Vc=1/C·∫i dtVo输出公式 Vout = −1/(RC)∫Vin dt
11第 11 页 · 积分器

微分器

信号从左向右流,看电容怎么把「变化的快慢」翻译成输出电压。末尾节点与积分器对照,理解两者互为镜像。

图解渲染中…
a3电容电流等于容量乘以电压变化率,这就是『微分』的物理来源a4虚短使反相端=0V(虚地),电容电流全部流过反馈电阻a7积分器把 R、C 位置对调,电容挪到反馈支路,结构互为镜像
12第 12 页 · 微分器

有源滤波器

从运放加RC出发,看三种拓扑如何导出低通、高通、带通滤波器,关注RC位置与截止频率。

图解渲染中…
A1把RC网络接入运放电路即构成有源滤波器D1LPF的-3dB截止频率,由RC乘积决定D3BPF通带位于两个截止频率之间
13第 13 页 · 有源滤波器

比较器

看图:两输入端送电压,开环运放比差值,差值正负决定输出高/低电平。

图解渲染中…
c1运放计算差值 Vd = V+ - V-e1无反馈网络,工作在饱和区b1高电平 ≈ 正电源 Vccb2低电平 ≈ 负电源 Vee
14第 14 页 · 比较器

施密特触发器 vs 比较器

两者都把模拟电压比成高低电平,但比较器遇到噪声会反复抖动,施密特靠滞回把抖动压死。

比较器
  • 单门限翻转:输入过单一阈值即改变输出
  • 易受噪声干扰:阈值附近抖动会让输出反复振荡
  • 结构简单:通常开环或仅用负反馈
  • 适合信号干净、需精确单一阈值的场合
施密特触发器
  • 双门限翻转:上阈值与下阈值之间形成滞回窗口
  • 天然抗噪声:须穿越整个窗口才切换,小噪声被屏蔽
  • 引入正反馈:靠正反馈实现滞回宽度
  • 适合含噪声的缓慢信号整形与抗扰场合
信号干净、要精确单一阈值选比较器;信号含噪或缓慢变化选施密特触发器,靠滞回窗口消除振荡。
15第 15 页 · 施密特触发器 vs 比较器

精密整流与峰值检波

从0.7V压降痛点出发,看虚短怎么吃掉它,再到半波、全波、峰值检波三种实现。

图解渲染中…
A5虚短让运放两端电压相等,0.7V被藏在环路里C1半波整流+电容记忆=只跟踪输入最高点
16第 16 页 · 精密整流与峰值检波

运放电流源的原理

前面做的电路都是电压输出,负载电阻一变输出电流就跟着变。但 LED 驱动、电池充电这些场景,要求不管负载怎么动电流都得稳住。这页看运放怎么从「控制电压」切换成「控制电流」。

采样电阻
在负载回路中串一颗小电阻 R_sense,电流流过它会变成可测电压
虚短反馈
运放通过负反馈,强迫采样电阻两端电压等于参考电压 V_ref
恒流公式
由 V_ref = I·R_sense 直接得到 I_L = V_ref / R_sense,与负载无关
自动补偿
负载电阻变大时运放自动抬高输出电压,变小时反向补偿,电流不变
水箱浮球阀对应 →运放电流源

浮球=采样电阻感知水位;阀=运放调水量;设定水位=V_ref。用水量变了水位照样稳。

IL=VrefRsenseI_L = \dfrac{V_{ref}}{R_{sense}}
17第 17 页 · 运放电流源的原理

电流源电路连接图

按信号流向读:参考电压 → 运放 → 晶体管 → 负载 → 采样 → 反馈回运放。

图解渲染中…
n5Vfb = IL × Rsense,把电流转成电压送回运放n7运放使 V+ ≈ V-(虚短),强制 Vfb = Vrefn9基极电流被运放主动调节n10IL = Vref / Rsense,与负载阻抗无关
18第 18 页 · 电流源电路连接图

实验操作步骤

一次完整的运放实验,从备料到验证分五步走,每步都不能省。

1
器材与仪器准备
备齐 μA741 芯片、电阻电容、面包板、双电源、信号源与示波器
2
按图搭建电路
对照原理图在面包板上接线,先布电源与地,再连信号通路
3
上电检查与调零
测各电源引脚电压正常后,调零端接入电位器补偿失调
4
施加激励并测量
从小信号开始,逐级增大输入幅度,记录输出幅值与失真
5
数据记录与对比
整理数据表,计算增益与带宽误差,讨论非理想因素影响
19第 19 页 · 实验操作步骤

运放应用总结

  • 虚短虚断是分析一切运放电路的统一钥匙
  • 负反馈塑造线性行为,正反馈或开环塑造非线性行为
  • 同相与反相放大器是所有运放电路的积木块
  • 运放的功能差异,本质是反馈网络的接法差异
  • 实际设计要在理想模型与器件非理想特性间取舍
延伸主题:运放噪声与信噪比设计高速运放带宽与压摆率运放稳定性与相位补偿
20第 20 页 · 运放应用总结

课后思考

请先独立思考,再翻看参考答案——试着把思路写下来或画一画电路,效果更好。

1理想运放的两个输入端为什么能视为「虚短」?这个假设何时不再成立?

参考答案虚短依赖开环增益 A→∞ 和输入电流→0。A 不够大,或两输入端出现可测电压差时失效;可用 V+−V−≈Vout/A 估算偏差。

2若运放供电只有 ±5V,输入却是 ±10V 正弦波,输出端会发生什么现象?

参考答案输出被限幅/饱和:超过 ±5V 的部分被削顶削底,波形接近方波。这是真实电路的硬约束,与放大倍数无关。

3同相放大器改接成电压跟随器后,输入阻抗近乎无穷大有什么实际价值?

参考答案几乎不向前级信号源索取电流——可做缓冲器隔离前后级阻抗,避免「负载效应」拉低前级电压。

21第 21 页 · 课后思考