比例运算电路是指按比例放大输入信号的电路。这里我们解释一下以运算放大器为核心的比例放大器。
运算放大器的示意符号如下图所示(后面省略了正负电源引脚):
在讨论具体的比例运算放大器电路之前,我们先了解一下理想运算放大器的两个特性:
1.运算放大器的输入阻抗是无限的,所以它的两个输入端不吸电流。从这方面来说,输入端口似乎是开路的,也就是“虚断”的特性;
2.对于负反馈状态的运算放大器,反相端的电压VN会跟踪VP,即非反相端的电位VP和反相端的电位VN相等,即“虚短”特性;
注:运算放大器只有在负反馈状态下才能谈“假短路”特性。如果是开环状态,运算放大器就相当于一个比较器,不能根据同相端和反相端的电压相等来分析。
我们介绍常见的比例运算放大器电路(假设输入信号是正弦波,运算放大器是理想的)。
如下图所示,在反相比例运算放大器电路中,运算放大器OP的同相输入端接地,反相输入端通过电阻R1与信号源ui相连,输出端通过反馈电阻Rf与信号源ui相连,形成负反馈。
根据运算放大器的“虚短”特性,反相端的电位与同相端相同,而运算放大器的同相端接地(0V),因此反相端的电位也为0V;
根据运算放大器的“虚关”特性,反相端的输入电流为IN=0。根据基尔霍夫电流定律(KCL),流入节点的电流等于流出节点的电流。因此,流经电阻R1的电流等于流经电阻射频的电流,即I1=中频。因此,有:
该电路的输入输出波形如下(假设放大倍数为2倍,即Rf=2R1):
我们也可以用同一个运算放大器对多个输入求和,如下图所示:
多个输入信号通过电阻R1、R2和R3连接到运算放大器的反相输入端(求和节点)。根据同样的原理,我们可以得到这个电路的放大倍数如下:
上述的放大器电路是由双电源供电的放大器系统(省略正负电源),但在实际应用中,很多系统都是由单电源供电(如多媒体播放器中的VCD和音频放大器电路),典型的电源电压为5V ~ 12V。因此需要对电路进行改造才能使用,否则输出电压的波形失真会很大。
由单电源供电的反相交流放大器电路如下图所示:
与双电源供电的反相放大器电路不同,增加了两个电阻(R1=R2)和三个电容(C1、C2、C3),其中,电阻R1和R2具有相同的电阻,以获得电源电压的一半(VCC/2),并将其连接到非反相端,而电容主要利用其直流-交流隔离特性,即耦合有用的交流信号,隔离无用的直流信号。
在双电源放大器电路中,中点电位为(VCC VEE)/2。因为VCC和VEE的绝对值通常相同,所以中点电位为0。
V(即地电位),也就是说,在静态时(无信号输入时)的输出电位也应该为0V(中点电位必须要注意);
同样,在单电源供电放大电路中,中点电位为(VCC+0)/2=VCC/2,因此,在静态时,单电源供电的运放电路输出电压应该保证是VCC/2。
按照我们在三极管放大电路中学到的“直流通路”获取方法,可得如下所示电路:
其直流通路就是一个电压跟随器,即输出电压uo=输入电压(VCC/2),
同样,它的“交流通路”如下图所示:
在“交流通路”中,电源VCC也应该看成是接地的,因此,电阻R1与R2都被短路接地了这样,此电路就变成了最开始的“反相比例运算放大器”。
有人说:输出电压与输入电压能不能不反相,我不喜欢!行,你是老板,我们来看看由运放构成的同相比例运算放大器,如下图所示:
与反相比例运算放大器电路不同的是:同相比例运算放大器的输入信号在同相端,而反相端一方面通过电阻R1接地,另一方面通过反馈电阻Rf连接输出形成负反馈。
电路的分析方法与反相比例运算放大电路是一样的。根据运放的“虚短”特性,反相端与同相端的电位相同,而运放的同相端与输入信号源ui相连接,因此,反相端的电位亦为ui;
根据运放的“虚断”特性,反相端的输入电流IN=0,根据基尔霍夫电流定律(KCL),流入节点的电流等于流出节点的电流,因此,电阻R1上的电流等于电阻Rf上的电流,即I1=If,这样就有:
其输入输出波形如下所示:(假设放大倍数是2倍,即Rf=R1)
当反馈电阻Rf=0时,其电路如下图所示:
它的电压放大倍数就是1,亦即没有放大,输出电压与输入电压是相等的,也称为电压跟随器,也可以简化成如下所示的电路:
电压跟随器的好处在于:它的输入阻抗大,而输出阻抗小,因此可以用来做两级放大电路之间的隔离放大器,虽然它本身没有电压放大能力,但为两级放大电路之间阻抗匹配贡献了自己力量。
如下图所示的两级放大电路的等效图:
后级放大电路对前级放大电路的输出信号进行放大时,前级电路是有一定的输出电阻Rout(相当于信号源的内阻),后级电路也同样有一定的输入电阻Rin,因此,前级输出信号给到后级放大电路时,后级放大电路真正能够接收到的电压只是前级输出信号的部分,即:
很明显,我们要求输入电阻Rin越大,而输出电阻Rout越小越好,这样后级接收到的电压就会越大(理想是全部接收),但如果cqdzjy是,后级电路的输入电阻Rin不够大,或前级电路输出电阻Rout不够小时,电阻的分压行为会严重削弱电路的放大能力,这时我们可以在两者之间插入电压跟随器,
对于前级电路而言,电压跟随器的输入电阻Rin非常大(理想为无穷大),可以将前级电路的输出电压完全接收,而对于后级电路而方,电压跟随器的输出电阻Rout非常小(理想为0),因此也可以将电压完全传输给后级,从而完成阻抗匹配的任务。
同样,也可以用一个运放组成多个输入信号的同相加法放大器,如下图所示:
根据叠加定理(电路的总输出等于所有单个输入信号驱动电路时输出的和),我们可以得到此电路的放大倍数如下:
相应地,如下图所示的单电源供电的交流同相放大电路:
其“直流通路”如下所示:
也是一个电压跟随器,即输出电压uo=输入电压(VCC/2),
同样,它的“交流通路”如下图所示:
在“交流通路”中,电源VCC也应该看成是接地的,因此,电阻R1与R2可以看成两者并联再与信号源并联,对输入信号是没有影响的(可以将它们去掉),此电路就变成了最开始的“同相比例运算放大器”。
从“交流通路”可以看出,此电路的输入电阻大约是电阻R1与R2的并联,这就很明显把同相放大电路的输入高阻抗的优势削弱了,我们可以更改成下图所示的电路:
这个电路中,电阻R1与R2分压的中点电位不再直接连接到同相端,而是经过一个大电阻R4,这样电路的输入电阻就是R1与R2的并联值,再与R4串联,电阻R4通常至少100K,因此提升了电路的输入电阻。
来源:“电子制作站”
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