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【换取手持数字示波器】放大器运放知识分享

助工
2024-04-18 20:16:57   被打赏 40 分(兑奖)     打赏

运放(运算放大器)的相关电路是多种多样的,以下是几个主要方面及其对应的电路介绍:

  1. 运放的组成和工作原理:运放通常由差分输入级、增益级、输出级和偏置电路四部分组成。差分输入级将输入信号进行差分放大,增益级对差分放大后的信号进行进一步放大,输出级将放大后的信号转换为单端输出。偏置电路则为各级电路提供稳定的偏置电流。

  2. 交流放大电路:输入信号通过输入端(反相或同相输入端)进入电路,经过前置放大器进行初步放大,然后进入主要的电压放大级进行进一步放大。最后,信号传递到输出级进行

  3. 必要的阻抗匹配和电压/电流转换。

  4. 典型应用电路:运放有众多的典型应用电路,这些电路通常根据不同的应用需求而设计。例如,有的电路可能注重信号的低噪声放大,有的则可能用于实现特定的信号转换功能,还有的可能用于构成振荡器或滤波器等。

反相放大器:

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反相放大器的工作原理基于运算放大器的特性和负反馈技术。以下是其详细的工作原理:

反相放大器的输入信号连接到运算放大器的反相输入端。这个信号通常通过一个电阻器连接到反相输入端,电阻器的电阻值决定了反相输入端的输入电阻。由于运算放大器的输入电流非常小,这个输入电阻可以视为一个高阻抗,对输入信号源的输出电压影响很小。

反相放大器的反馈回路从运算放大器的输出端连接到反相输入端。这个反馈回路的作用是将输出信号的一部分反馈到反相输入端,以抑制放大器输出的非线性失真,并使放大器的放大倍数更加稳定和准确。

在反相放大器中,运算放大器反相输入接收来自放大器输出的反馈。当输入信号进入反相放大器时,它首先被放大,然后经过一个反相元件,这个反相元件将放大后的信号反相,即把信号的正负号反转。接着,反相后的信号进入负反馈环路,这个环路将反相后的信号再次反相并输入到放大器的反相输入端。这样,放大器再次将反相后的信号放大并输出。

通过这种方式,反相放大器实现了输入信号的放大和反相输出。由于负反馈的存在,放大器的性能更加稳定,失真也相对较低。

反相放大器具有许多优点,如低噪声、高精度、低成本、低失真和低功耗等,使其在工业控制、电脑、音频设备、汽车等领域得到广泛应用。

同相放大器:

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同相放大器的工作原理主要基于负反馈技术,通过该技术稳定总电压增益。以下是其详细的工作原理:

同相放大器的输入信号通过输入端(同相输入端)进入电路。在这个过程中,输入信号不会经历相位反转,因此输出信号的相位与输入信号相同。

输入信号被放大,产生一个放大后的输出电压。这个输出电压的一部分通过分压器反馈到输入端。这个反馈信号并不是直接返回到输入源,而是返回到运放的反相输入端。这种反馈方式构成了负反馈。

反馈回路中的电阻器起到关键作用。R1上的电压是加在反相输入端的反馈电压,这个反馈电压几乎与输入电压相等。由于开环电压增益很高,V1和V2之间的差别很小。负反馈的效果是,如果开环电压增益由于某种原因增加,输出电压将随之增加,并反馈更多的电压到反相输入端。这个反相的反馈电压使净输入电压(V1--V2)减小。因此,尽管Avol增加,净输入电压的增量却减小了,最终输出的增加量比没有负反馈时小很多。

通过这种方式,负反馈稳定了总电压增益,使得输出电压只有很小的增加。此外,同相放大器还具有输入阻抗高、输出阻抗低、带负载能力强等特点。


同相放大器和反相放大器各自具有独特的特点和差别,主要体现在以下几个方面:

  1. 输入输出阻抗

  • 同相放大器:输入阻抗与运放的输入阻抗相等,接近无穷大。这种高输入阻抗可以减小信号源内阻对放大倍数的影响。

  • 反相放大器:输入阻抗较小,等于信号到输入端的串联电阻的阻值。这种低输入阻抗有助于实现阻抗匹配,减少传播过程中产生驻波造成的影响。

  1. 共模抗干扰能力

  • 同相放大器:由于输入信号和反馈信号都在同相端,存在较大的共模电压,因此抗干扰能力相对较差。这要求运放具有较高的共模抑制比。

  • 反相放大器:同相端接地,反相端为虚地,只有差模信号,因此抗干扰能力强。

  1. 放大倍数与相位

  • 同相放大器:放大倍数由反馈电阻和输入电阻的比值决定,且只能大于1。相位与输入信号相同。

  • 反相放大器:放大倍数也是由反馈电阻和输入电阻的比值决定,但输出信号与输入信号相位相反。其放大范围更宽,可以包括负数。

  1. 应用

  • 同相放大器:常用于需要高输入阻抗的场合,如麦克风的前级放大。此外,它在音频放大、交流测量、信号滤波等领域也得到广泛应用。

  • 反相放大器:其低输入阻抗和强抗干扰能力使其在多种应用场合中表现出色。

种设计将输入信号 Vi 放大信号增益为 10V/V。输入信号可能来自高阻抗源例如 MΩ),因为该电路的输入
阻抗由运算放大器的极高输入阻抗
例如 GΩ决定。同相放大器的共模电压等于输入信号。

种设计将输入信号 Vi 放大,信号增益为 10V/V。输入信号可能来自高阻抗源(例如 MΩ),因为该电路的输入

阻抗由运算放大器的极高输入阻抗(例如 GΩ)决定。同相放大器的共模电压等于输入信号。

image.png

交直流防真:

image.png

案例计算公式与方法:

image.png

节点 A 位于运算放大器的同相端,节点 B 位于反相端(也是分压器点)。上图中未显示这些节点。

节点 B 的电位是 VIN,且虚拟短路:

V A = V B = V IN = 0.8 V

电流 I1 为

I 1 = V A / R 1 = 0.8V / 10 KΩ

I1 = 80 µA

由于运算放大器的输入电流为零,因此相同的 I1必须流过电阻 R f。

i) 同相放大器的增益

ACL = 1 + (R f / R 1 ) = 1 + (20 KΩ / 10 KΩ)

ACL = 3

ii) 输出电压

V O = A CL * V IN = 3 * 0.8V

VO = 2.4 V

iii) 通过负载电阻的电流

I L = V O / R L = 2.4 / (2 * 10 3 Ω)

I L = 1.2 mA

iv) 输出电流

根据基尔霍夫电流定律 (KCL), I O = I 1 + I L

I O = 80 µA + 1.2 mA

IO = 1.28 mA


这种设计将输入信号 Vi 放大信号增益为 10V/V。输入信号可能来自高阻抗源例如 MΩ),因为该电路的输入
阻抗由运算放大器的极高输入阻抗
例如 GΩ决定。同相放大器的共模电压等于输入信号。


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