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运算放大器计算公式(附反馈电路)

时间:2020-01-09 00:15来源:海猎人

运算放大器

集成运算放大器是一种高增益(十万倍以上的放大倍数)、高输入阻抗(MΩ级以上)、高共模抑制比的三级直接耦合放大器,用于直流或交流放大,名字来源于早期它的主要用途模拟计算机的各种运算电路(如比例、加、减、乘、除、积分、微分等)。

运算放大器内部结构如图4-14所示,输入级采用差分放大的方式,中间级一般为单管共射放大,输出级多采用互补推挽功放电路,对称的正、负电源进行供电。

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4-14

运放的开环放大倍数都很大,但在实际电路中,一般不会用到这么大的放大倍数,所以运放的常规应用都会引入负反馈,而且是深度负反馈,来组成所需要的低增益的放大电路。由于深负反馈的引入,在闭环增益降低的同时,放大器的各种性能,如增益稳定性、带宽、失真、输入/输出阻抗等特性都会得到很大改善。这也是集成运放应用电路性能特别优越的原因。

运放使用时,当集成运放工作在线性状态,即输出、输入成比例,放大器任一级都工作在放大区而未进入饱和或截止态时,经常用虚短虚断的前提假设,其原因是因为运放的输入阻抗都比较大,至少是MΩ级别,因此输入电流小到μA级,与输入通路、反馈通路的电流相比很小,小到可以忽略,就忽略输入偏置电流的影响而假设其为虚断了;

运放的开环电压增益很大,常用V/mV,或dB表示。量级一般在数百个V/mV,或80120dB,例如运放的电压为12V,开环电压增益为400V/mV,放大倍数k=400×103=4×105,如图4-15所示。

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运算放大器计算公式(附反馈电路) - 海猎网-海猎人,这个数值与输入电压(mV级或V级)相比,比例为运算放大器计算公式(附反馈电路) - 海猎网-海猎人,这个误差基本可以忽略了,因此近似认为U+=U-,称之为虚短

4-15所示的反相放大器,按照虚短”“虚断的概念,分别得出

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综合以上三个计算式,

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由此可见,设计一个放大倍数为Au、输入电阻为R的高性能放大器的任务,变成了仅选两个合适的电阻这么简单的问题。而且可以看出,输出Uo与输入Ui反相。

这就是反相输入负反馈电路模式。

4-16所示的是同相输入负反馈电路模式。

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4-15

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4-16

按照虚短的概念,得出

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按照虚断的概念,得出

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综合以上三个计算式,得出

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由图4-16可见,同相放大的特点是输入阻抗极高,因而适用于要求高输入电阻的场合,由公式(4.6),得出其输出与输入同极性。

以上两电路中的Rb=Ri//Rf。以图4-15为例,当Ui=0(接地)时,Uo=0(等同于接地),U+端对Gnd的阻抗为Ri//Rf,同相端U+=Rb×Ibc(偏置电流,BiasCurrent)。当运放同相端、反相端的输入电压信号为0V时,运放输入端要维持工作仍需要有微小的偏置电流,若RbRi//Rf,则同相、反相输入端的偏置电流流经两组并行但阻值不相等的电阻,在U+U-之间就会产生微小的压差,经过放大会导致运放出现输出零点漂移误差。尤其当输入偏置电流随温度、时间变化时,会导致放大器产生温漂和时漂。如果对比例放大电路的精度和漂移指标都要求不高,即工作时允许其放大倍数有微小变化的话,以上两图中的Rb甚至可以省去,使电路更加简单。

以上是运放的最简单应用,考虑的参数也很少。事实上,实际设计中,运放放大电路设计需要考虑的参数还有很多,如输入阻抗、共模抑制比、相位、频率特性、带宽、增益……

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