運(yùn)算放大器基礎(chǔ)公式與應(yīng)用解析
運(yùn)算放大器作為模擬信號(hào)處理與放大領(lǐng)域的重要電路元件,其基本公式為:
輸出電壓 Vout=A×(V+ −V )
式中,Vout表示輸出電壓,V+和 V−分別為非反相輸入端和反相輸入端的電壓,A 則代表放大器的開環(huán)放大倍數(shù)。
在實(shí)際應(yīng)用運(yùn)算放大器時(shí),需依據(jù)具體電路來(lái)計(jì)算放大倍數(shù) A 以及輸出電壓 Vout等關(guān)鍵參數(shù)。以下列舉部分常用計(jì)算公式:
對(duì)于反相放大電路,放大倍數(shù) A=−Rin/Rf,其中 Rf是反饋電阻,Rin為輸入電阻;輸出電壓 Vout=−A×(Vin −Vref )。此外,另有表達(dá)式 Vout=A×(Vin+ −Vin− ) 可用于相關(guān)計(jì)算。
運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)涵蓋差分輸入方式、高輸入阻抗、低輸出阻抗、大增益(一般為10^5~10^6)以及無(wú)輸出電阻限制等優(yōu)勢(shì)。
以下對(duì)差動(dòng)放大器這一常見放大器類型進(jìn)行介紹:


差動(dòng)放大器在儀表放大場(chǎng)景中時(shí)有應(yīng)用。其電路往往僅需一個(gè)運(yùn)算放大器。該電路的傳遞函數(shù)具有特定形式。

差動(dòng)放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但在輸入阻抗方面表現(xiàn)欠佳。由于增益由 R1/R2決定,在高增益與高輸入阻抗需求下需做出權(quán)衡。此外,將信號(hào)分壓后再放大并非實(shí)現(xiàn)優(yōu)良噪聲性能的理想方法。針對(duì)反相通路,額外電阻的引入使得反相放大電路的噪聲增益高于信號(hào)增益。若要提升輸入阻抗,需增大電阻值,但這又會(huì)引發(fā)更多噪聲。共模抑制比同樣受限。為改善這些不足,可首先對(duì)輸入進(jìn)行緩沖,借此解決輸入阻抗問(wèn)題。

在實(shí)現(xiàn)輸入緩沖的同時(shí),若能在第一級(jí)引入一定增益,不但可獲得高輸入阻抗,還能帶來(lái)良好的噪聲性能。

由于可采用阻值極小的電阻器,第一級(jí)噪聲得以顯著降低且不影響輸入阻抗。此外,這種結(jié)構(gòu)在高增益條件下能提供較寬的帶寬。原因在于電壓反饋放大器具備一定的增益帶寬乘積,將增益分配到兩級(jí)放大器后,每級(jí)增益相對(duì)降低,從而擺脫增益帶寬乘積的限制。然而,共模抑制比問(wèn)題仍未得到徹底解決。該電路會(huì)同時(shí)放大共模信號(hào)與差分信號(hào),而所有共模抑制依賴于差分放大級(jí)實(shí)現(xiàn),容易超出第一級(jí)的輸入電壓范圍。

差動(dòng)放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但在輸入阻抗方面表現(xiàn)欠佳。由于增益由 R1/R2決定,在高增益與高輸入阻抗需求下需做出權(quán)衡。此外,將信號(hào)分壓后再放大并非實(shí)現(xiàn)優(yōu)良噪聲性能的理想方法。針對(duì)反相通路,額外電阻的引入使得反相放大電路的噪聲增益高于信號(hào)增益。若要提升輸入阻抗,需增大電阻值,但這又會(huì)引發(fā)更多噪聲。共模抑制比同樣受限。為改善這些不足,可首先對(duì)輸入進(jìn)行緩沖,借此解決輸入阻抗問(wèn)題。

在實(shí)現(xiàn)輸入緩沖的同時(shí),若能在第一級(jí)引入一定增益,不但可獲得高輸入阻抗,還能帶來(lái)良好的噪聲性能。

由于可采用阻值極小的電阻器,第一級(jí)噪聲得以顯著降低且不影響輸入阻抗。此外,這種結(jié)構(gòu)在高增益條件下能提供較寬的帶寬。原因在于電壓反饋放大器具備一定的增益帶寬乘積,將增益分配到兩級(jí)放大器后,每級(jí)增益相對(duì)降低,從而擺脫增益帶寬乘積的限制。然而,共模抑制比問(wèn)題仍未得到徹底解決。該電路會(huì)同時(shí)放大共模信號(hào)與差分信號(hào),而所有共模抑制依賴于差分放大級(jí)實(shí)現(xiàn),容易超出第一級(jí)的輸入電壓范圍。
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