模擬信號處理電路之運算放大器實現原理

介紹

運算放大器或“運算放大器”有 5 個主要連接：

VS+ 和 VS- 稱為電源軌，為運算放大器供電。從概念上講，VOUT可以輸出VS+和VS-之間任意電壓；實際上，它被限制為略小于 VS+/大于 VS-，具體取決于特定的運算放大器和負載（從運算放大器汲取多少電流）。這是由于內部晶體管上的電壓降造成的。

V+ 和 V- 是運算放大器的輸入，并且是差分的，這意味著運算放大器根據這兩個輸入之間的值差進行工作。顧名思義，運算放大器在將差分輸入傳遞到輸出之前將其放大（倍增）。乘法值或增益非常高——大多數運算放大器約為 100,000 倍——但是可以使用一些技術使運算放大器具有更合理的增益（例如 2 倍或 10 倍），正如我們將在下面看到的部分。V+也稱為同相輸入，V-也稱為反相輸入。

比較器

比較器是一種比較兩個模擬電壓，然后根據電壓較高者產生二進制數字輸出（高或低、1 或 0、真或假）的設備。換句話說，比較器回答了以下問題：V+ 是否高于 V-？

在上面的示例中，我們將運算放大器的正電源連接到 +5V，將負電源連接到 0V (GND)。V- 由分壓器（電阻器 R1 和 R2）提供 +2.5V 參考電壓。運算放大器提出這樣的問題：V+ 是否大于 2.5V？

當 V+（黃色跡線）高于 2.5V（紅色跡線）時，輸出（綠色跡線）變高/真 (+5V)，當 V- 低于 2.5V 時，輸出變低/假 (0V/GND) 。

通過改變 V- 的值，我們可以改變問題 – 例如，V+ 是否大于 1V？

緩沖區

運算放大器輸入具有高阻抗，這意味著它們不會消耗相對較多的電流。當提供給運算放大器的源信號也是高阻抗時，這一點尤其重要，這意味著它不能提供太多電流，否則，當運算放大器或負載汲取的電流拉低電壓時，信號會失真。

在上面的示例中，負載的輸入是高阻抗的（1k 電阻限制可以提供的電流）。因此，信號（黃色跡線）在到達負載時嚴重失真（綠色跡線）。

通過將運算放大器的輸出反饋回 V-，我們可以為運算放大器提供 1（單位）的增益（乘數），并且運算放大器將從其電源軌（低阻抗）提供額外的電流。

由于構成運算放大器的內部組件上存在壓降，我們發現在該負載下，它可以在輸出端提供最大約 2.5V 的電壓，我們可以通過在正電源上為運算放大器提供 +9V 來解決這個問題:

通過在緩沖器配置中使用運算放大器，并為其提供足夠的功率/電壓，我們可以將高阻抗源轉換為低阻抗輸出。

要了解緩沖區配置的工作機制，請考慮以下 3 個場景（請記住輸出和 V- 是鏈接的）：

V+ > V-。運算放大器將差值倍增并增加輸出電壓，從而也增加 V- 處的電壓并減小差分輸入的大小。

V+ < V-。運算放大器將差值倍增并降低輸出電壓，從而也降低了 V- 處的電壓，并再次減小了差分輸入的大小。

V+=V-。運算放大器輸出保持不變。

正差分輸出

負差分輸出

零差分輸出

我們可以看到，運算放大器始終會調整輸出/V-以減少差分輸入，直到輸出與V+輸入匹配并穩定。另一個術語是輸出跟蹤 V+ 輸入。

放大器

最后，我們討論運算放大器的同名實現——實際放大。通過縮放 V- 輸入的反饋，我們可以在輸出上獲得除 1 之外的增益（乘數）。

在上面的例子中，我們有一個以 2.5V 為中心的 0.5V 1kHz 正弦波輸入。請注意，我們還再次向正極電源提供 +9V。分壓器上有一個 1:1 的比率，反饋到 V- 輸入，導致增益為 2。輸出可能并不完全符合您的預期，因為它以 5V 為中心，但從技術上講，這是正確 - 所有電壓均已乘以 2。2.5V 中心變為 5V，3V 峰值變為 6V，2V 谷值變為 4V（2V-3V 之間的 1V 峰峰值幅度乘以 2V 峰峰值幅度在4V-6V之間）。

如果我們想選擇 2.5V 作為放大的中心（或偏移）電壓，那么我們必須將增益反饋參考為 +2.5V（如有必要，可能由單獨的緩沖運算放大器提供）：

現在我們的峰值為 3.5V，谷值為 1.5V，這仍然給出 2V 的峰峰值幅度（因此增益為 2x）。

當然，我們還可以通過向運算放大器的負電源軌提供負電壓（當然還向 V+ 輸入提供以 0V 為中心的輸入信號）來使輸入和輸出以 0V 為中心：

通過改變反饋分壓器的比率，我們可以改變增益，例如下面的 3:1 分壓器會產生 4 倍增益：

帶遲滯的比較器（施密特觸發器）

滯后現象可以描述為不愿改變。遲滯本質上是說，一旦我改變了，就需要一些說服才能讓我再次改變。當輸入徘徊在閾值附近時，這對于防止輸出翻轉（快速變化）非常有用。例如，我們可能有一個風扇，當溫度高于 30°C 時，風扇就會打開；我們可能會發現，一旦風扇打開，溫度就會降至 30°C 以下（例如 29.99°C），導致風扇再次關閉 – 一旦風扇關閉，溫度就會回升再次升至30°C，風扇再次開啟。這個循環可能會非?？焖俚刂貜?，這可能會損壞風扇電機，并惹惱附近的任何人。向該系統添加遲滯意味著這樣的說法：當溫度達到 31°C 時風扇打開，但直到溫度降至 29°C 以下之前它可能不會再次關閉。

通過將輸出反饋回 V+ 輸入，可以將遲滯添加到比較器運算放大器配置中：

在這種情況下，我們可以看到輸出在 2.5V 閾值之后猶豫不決，直到輸入又超過它大約 1V。

通過向輸入添加一些噪聲，我們可以看到滯后的用處：

在上述電路中，當噪聲輸入超過閾值時，輸出會快速打開和關閉。

添加遲滯后，我們得到了一個干凈的單開關：

運算放大器規格

當然，有許多不同型號的運算放大器可供選擇，其規格和成本各不相同。一些規格包括運算放大器對輸入變化的反應速度（帶寬，這將決定運算放大器可以處理的最大頻率）、運算放大器可以工作的最大電壓、輸出與電源電壓的匹配程度（軌），運算放大器可以輸出多少電流，等等；供應商網站上的參數搜索和數據表檢查將有助于為特定應用選擇正確的運算放大器。

結論

運算放大器是模擬信號處理電路中的重要組成部分，也可在數字應用中用作比較器。

審核編輯：黃飛

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