模拟技术
比例运算威廉希尔官方网站 是指将输入信号按比例进行放大的威廉希尔官方网站 ,这里我们讲解以运算放大器为核心的比例放大器。
运算放大器的原理图符号如下图所示(后续省略正负电源引脚):
在讨论具体比例运算放大器威廉希尔官方网站 前,我们首先了解理想运算放大器的两个特性:
1、运放的输入阻抗是无穷大的,因此它的两个输入端是不吸取电流的,从这个层面来讲,输入端口像是开路的,即“虚断”特性;
2、处于负反馈状态下的运放,反相端的电压VN都会跟踪VP,亦即同相端电位VP与反相端电位VN是相等的,即“虚短”特性;
注意:运放在负反馈状态下才能谈“虚短”特性,如果是开环状态下,运放相当于一个比较器,同相端与反相端的电压并不能按两者相等来分析。
下面我们介绍常见的比例运算放大器威廉希尔官方网站 (以下假设输入信号为正弦波,且运算放大器均为理想的)。
如下图所示反相比例运算放大器威廉希尔官方网站 ,运放OP的同相输入端接地,反相输入端一方面通过电阻R1与信号源ui连接,另一方面通过反馈电阻Rf与输出端连接形成负反馈。
根据运放的“虚短”特性,反相端与同相端的电位相同,而运放的同相端接地(0V),因此,反相端的电位亦为0V;
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,流过电阻R1的电流等于流过电阻Rf的电流,即I1=If,这样就有:
此威廉希尔官方网站 的输入输出波形如下所示(假设放大倍数是2倍,即Rf=2R1):
我们也可以用同一个运算放大器对多个输入进行求和运算,如下图所示:
多个输入信号通过电阻R1、R2、R3连接到运放的反相输入端(求和节点),根据同样的原理,我们可以得到此威廉希尔官方网站 的放大倍数如下:
上面所述的放大威廉希尔官方网站 为双电源供电的放大系统(省略了正负电源),但实际应用中,很多系统都是单电源供电的(比如VCD、多媒体播放器中的音频放大威廉希尔官方网站 ),典型的供电电压是5V~12V,因此,需要进行威廉希尔官方网站 修改才能使用,否则输出电压的波形失真会非常大。
如下图所示的单电源供电的反相交流放大威廉希尔官方网站 :
与双电源供电的反相放大威廉希尔官方网站 不同的是,增加了两个电阻(R1=R2)与三个电容(C1、C2、C3),其中,电阻R1与R2的阻值相等,用来获得电源电压的一半(VCC/2)并将其联接到同相端,而电容主要利用其隔直通交的特性,即耦合有用的交流信号,隔离无用的直流信号。
双电源供电的放大威廉希尔官方网站 中,中点电位为(VCC+VEE)/2,由于VCC与VEE的绝对值通常是一样的,因此,其中点电位为0V(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,在单电源供电放大威廉希尔官方网站 中,中点电位为(VCC+0)/2=VCC/2,因此,在静态时,单电源供电的运放威廉希尔官方网站 输出电压应该保证是VCC/2。
按照我们在三极管放大威廉希尔官方网站 中学到的“直流通路”获取方法,可得如下所示威廉希尔官方网站 :
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,此威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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。
威廉希尔官方网站 的分析方法与反相比例运算放大威廉希尔官方网站 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,其威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 :
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威廉希尔官方网站 之间的隔离放大器,虽然它本身没有电压放大能力,但为两级放大威廉希尔官方网站 之间阻抗匹配贡献了自己力量。
如下图所示的两级放大威廉希尔官方网站 的等效图:
后级放大威廉希尔官方网站 对前级放大威廉希尔官方网站 的输出信号进行放大时,前级威廉希尔官方网站 是有一定的输出电阻Rout(相当于信号源的内阻),后级威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 时,后级放大威廉希尔官方网站 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),但如果不幸的是,后级威廉希尔官方网站 的输入电阻Rin不够大,或前级威廉希尔官方网站 输出电阻Rout不够小时,电阻的分压行为会严重削弱威廉希尔官方网站 的放大能力,这时我们可以在两者之间插入电压跟随器,
对于前级威廉希尔官方网站 而言,电压跟随器的输入电阻Rin非常大(理想为无穷大),可以将前级威廉希尔官方网站 的输出电压完全接收,而对于后级威廉希尔官方网站 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(威廉希尔官方网站 的总输出等于所有单个输入信号驱动威廉希尔官方网站 时输出的和),我们可以得到此威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 :
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),此威廉希尔官方网站 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,此威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 的输入高阻抗的优势削弱了,我们可以更改成下图所示的威廉希尔官方网站 :
这个威廉希尔官方网站 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,这样威廉希尔官方网站 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,因此提升了威廉希尔官方网站 的输入电阻。
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