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什么是运算放大器? 什么是运算放大器、比较器?

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什么是运算放大器?

运算放大器(Operational Amplifier)是一种差分放大器,具有高输入电阻、低输出电阻、高开放增益(开环增益),并具有可放大+输入引脚与-输入引脚间的电压差的功能。
每个电路由正侧电源引脚、负侧电源引脚、+输入引脚、-输入引脚、输出引脚等5个引脚构成。

*通常电源、输入、输出分类以外的引脚名称未进行统一

运算放大器、比较器的图解符号

运算放大器、比较器的图解符号

运算放大器的电源引脚名称示例

运算放大器的电源引脚名称示例

运算放大器要求的功能有高输入电阻(阻抗)和低输出电阻。 在下图【电压控制电压源放大器模型】中,输入电压和输出电压的关系如以下公式所示。

电压控制电压源放大器模型

电压控制电压源放大器模型

公式

信号电压Vs是通过电阻分压由信号源电阻Rs和运算放大器的输入电阻Ri分压而得,因此衰减的信号被输入运算放大器。
但是,当Ri远远大于Rs(Ri=∞)时,公式的第1项可视作近似于1、Vs=Vi
关于以下第2项,放大了的输入电压AvVi被运算放大器的输出电阻Ro和负载电阻RL分压输出。
此时,当Ro远远小于RL(Ro=0)时,第2项可近似于1,信号可在不衰减的状态下输出。
这样的运算放大器被称为理想运算放大器。
一般希望运算放大器具有高输入电阻、低输出电阻,尽量设计为接近理想运算放大器的电路结构。

理想输入电阻和输出电阻

信号电压Vs是通过电阻分压由信号源电阻Rs和运算放大器的输入电阻Ri分压而得,因此衰减的信号被输入运算放大器。
但是,当Ri远远大于Rs(Ri=∞)时,公式的第1项可视作近似于1、Vs=Vi
关于以下第2项,放大了的输入电压AvVi被运算放大器的输出电阻Ro和负载电阻RL分压输出。
此时,当Ro远远小于RL(Ro=0)时,第2项可近似于1,信号可在不衰减的状态下输出。
这样的运算放大器被称为理想运算放大器。
一般希望运算放大器具有高输入电阻、低输出电阻,尽量设计为接近理想运算放大器的电路结构。

电压跟随电路

运算放大器按其放大率放大引脚间的电压差,因此输出电压表示如下。

公式

当运算放大器的开放增益Av足够大时,可视为左边近似于0、Vs=VOUT
增益较低时,公式左边不可近似于0,这样,输出电压会发生误差。
之所以希望运算放大器有高开放增益,是因为通过该增益可尽量缩小输出电压误差。
高开放增益从其他角度来看,意味着应尽量减小+输入引脚和-输入引脚间的电位差。即,开放增益越大,VIN+=VIN-的关系成立的可能性就越大。该+输入引脚和-输入引脚的电位基本相等的关系被称为虚短、虚断或虚拟接地。
构成负反馈电路使用时,该关系成立,可利用虚拟接地的特性设计应用电路。

什么是比较器

比较器(Voltage Comparator)的引脚结构与运算放大器相同,即由+输入引脚、-输入引脚、正侧电源引脚、负侧电源引脚、输出引脚等5个引脚构成。 该电路使用任一输入引脚为基准引脚来固定电压,放大该基准电压与输入另一个引脚的电压间的差,输出High或Low。

+输入引脚的电位 > -输入引脚的电位成立时,输出High级
-输入引脚的电位 > +输入引脚的电位成立时,输出Low级

运算放大器与比较器的很大差异是有无相位补偿电容。
由于运算放大器构成负反馈电路使用,因此需要在IC内部设置防振相位补偿电容。
而比较器未构成负反馈电路,因此未内置相位补偿电容。
由于相位补偿电容限制了输入-输出间的响应时间,因此无相位补偿电容的比较器具有比运算放大器更好的响应性。
另一方面,根据该相位补偿电容的有无,将运算放大器作为比较器使用时,因受相位补偿电容限制,其响应性远远低于比较器。
运算放大器作为比较器使用时需要注意。

[PDF]运算放大器、比较器基础

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