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集成运放基本应用

[日期:2012-04-11] 来源:  作者:张国华 [字体: ]

 

  集成运放是以“通用器件”的面目出现的。就像晶体管一样,你可以用它组成各种各样的电路,不像彩电集成电路等专用芯片,只能用于一种用途,而不能挪作他用。下面我们以其诸多应用领域中的一种基本应用——放大器,来阐明其应用原理、分析和计算方法。
  
  前面说过,集成运放本身就是一个完整的放大器,只不过放大倍数高达几十万倍。如果真需要这么高增益的放大器,那么直接拿来应用即可,但在电子设备中实际需要的放大器其放大倍数均较低,因此集成运放的一个基本应用准则就是需要引入负反馈,(通常都是深负反馈)来组成所需要的低增益放大电路。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、输入输出电阻等都得到很大的改善。这也是集成运放应用电路性能特别优越的原因。
  
  集成运放组成的放大器(俗称比例器)按引入负反馈的方式可分为反相输入和同相输入两种,如 下图 (a)、(b)所示。其中 下图(a)反相输入引入的是电压并联负反馈; 下图(b)同相输入引入的是电压串联负反馈。

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  分析计算运放电路的基本原则有两个:一是“虚短”;二是“虚断”。所谓“虚短”,是指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,运放两输入端电位必定接近“相等”,好像这两个输入端已被内部一根导线“短路”一样。但若真的用一根导线把两输入端短路的话,放大器就会因输入信号被短路为零而不工作了。这就说明,运放两输入端电位并不是完全相等,只不过非常接近以至于一般的电压表量不出差别来罢了。我们用下图来说明这一点,目的是计算为使运放的输出电压达到最大但尚未饱和,究竟需要在运放的两个输入端之间施加多大的电压UIO因为电源电压为±15V,减去放大器输出级互补管的饱和压降,输出电压最多只能达到±(13~14)V。因为集成运放的放大倍数至少也在10万倍(10的5次方)以上,故此时的U,最多只有±(13~14V)/10的5次方=±(130~140)μV,难怪一般的电压表量不出两输入端之间的电压差来。我们称这种现象为“虚短”;即虚假的短路。在今后我们分析运放电路时,只要放大器正常工作而未进入饱和或截止态,就可认为运放两输入端是等电位的。
  

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  所谓“虚断”,是因为运放两输入端间具有极高的输入电阻(10的5次方~10的12次方)Ω和极低的静态偏置电流(10的-7次方~10的-11次方)A。因此,在运放正常工作时如果在其输入端串入电流表如下图所示,因为实际上流入或流出运放输入端的偏置电流和信号电流已经小到无法测量,因而电流表的指示均为“零”,好像从输入端到运放内部已“断路”一样。当然,如果真的在串入电流表的地方将引线剪断,运放当然也不能工作了。故称之为“虚断”,即“虚假的断路”。今后我们分析运放电路时均可认为两输入端电流为零(实际上有极微弱的电流),而不会给分析和计算带来多大的误差。

  有了“虚短”和“虚断”的概念,再回过头来分折由运放组成的放大器就非常容易了。上如图反相输入放大器。引入反馈后的闭环增益

  由此可见,同相放大的持点是输入阻抗极高,因而适用于要求高输入电阻的场合,且其输出与输入同极性(对交流则为同相位),而电路设计同样是极为简单的。
  
  最后的问题是对上图、中图电路中的偏置电阻R。应有什么要求。如果对比例放大器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,Rb。甚至可以省去不用使电路更加简单。
  
  如果需要非常精密的比例放大、要求有极高的精度和极小漂移的话,则应取Rb=Ri//Rf(Ri与Rf并联值)。这是因为集成运放的输入级都是左、右两边要求对称的差分放大电路如下图所示。在静态时(输入信号为零),差分电路两输入端对地的偏置电阻也应该是对称的。其同相端通过电阻Rb接地,反相端则一方面通过Ri接地(或Ri通过内阻为零的信号源接地),另一方面通过Rf接到输出端。当输入信号为零时。其输出信号也为零,相当于Rf通过输出端也接到地。即反相端是通过R∥Rf。若两输入端的输入电阻不对称,则在输入信号为零时相同的偏置电流IIB将在Rb和Ri∥Rf两支路形成不同的压降,即相当于在运放两输入端加入一个人为的干扰信号。当环境温度变化致使IIB变化时,这个干扰信号也将随温度而漂移、并导致放大器产生温漂或时漂。因此,对高精度、低漂移的放大器,保征Rb=Rl//Rf,是非常重要的。


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