集成运放总结:
同相放大 反相放大 比较器 加法器 差分 仪表放大 微分 积分 滤波使用
运放: 没有反馈直接利用运放的开环增益是没有意义的。
主要参数:
电源电压范围:一般给运放供电最好低于其极限供电电压若干伏;
共模输入信号范围:运放对输入信号的电压都有一个承受范围,是指输入运放反相输入端或同相输入端的电压限制,通常小于供电电压1-2V;
开环增益:运放内部的输出电压与输入电压的比值。开环增益通常很大。但开环增益只是运放内部的电压增益描述,运放通常存在反馈,在有反馈存在后,输入输出关系与开环增益无关。
共模抑制比(CMR):是指运放抑制共模信号的能力。为输入共模信号与输出共模信号的比值。
转换速率(SR):指的是输入信号出现一个跳变时,运放输出这个跳变的响应速度。
没有反馈直接利用运放的开环增益是没有意义的?
运放的开环增益很大,直接利用运放的开环增益,会使运放进入深度饱和状态,很小的输入信号会有极大的超出运放供电范围的输出,在是不可行的。
负反馈: 会降低运放的增益,但是具有提高运放稳定性、减少失真、增加带宽等优点。
加入了反馈组件的系统,构成了一个闭环的系统————输出信号的一部分进入输入端而形成一个具有反馈的封闭系统,该系统增益——闭环增益。
运放内部有对反馈的Vf进行180°的相移,从而使之与Vin反相,这样既削弱了Vout又可以降低其增益。
运放: 同相放大器 (输入输出同相) 增益计算稍有区别 反相放大器(输入输出反相)
同相放大器:同相放大器放大直流信号 同相放大器放大交流信号
增益均为:Av(同相)=1+Rf/R1.
关于运放供电问题:
使用单电源供电,则仅能放大输入信号的正半周期。
使用双电源供电,则能够对全周期信号进行放大。
但是大部分应用采用单电源供电,此时可以考虑,将输入信号整体向上平移,将信号全部推至正半周。以有效实现放大。
跟随器: 是增益为1 的同相放大器 输出信号100%反馈到输入端 Rf=0,R1=∞。
作用:高输入阻抗,低输出阻抗, 阻抗匹配使用。
反向放大器: 输入与输出相位差180° 见上右图 其中对于交流信号输入反向放大器输入端增加电容
运放的失调电压:一个理想的运放,当输入电压为0时,输出电压也应为0。但实际上它的差分输入级很难做到完全对称。通常在输入电压为0时,存在一定的输出电压——失调电压。
运放的输入补偿电压:失调电压除以噪声增益得到输入失调电压或者叫输入补偿电压。通过补偿管脚OFFSET之间加电位器进行补偿
比较器:
运放用来构造成比较器,对两个电压进行比较,其中一个通常为固定电平的参考电压,另一个为被比较信号。当Vin高于参考电压时,输出高电平,否则输出低电平。
过零比较器: 与0V进行比较
非过零比较器: 与Vref进行比较
迟滞比较器(施密特触发器):
应用场景:如果输入信号,由于噪声影响出现很多小范围的波动,那么在接近Vref的位置可能出现输出频繁的跳变。影响系统正常工作。
加法放大器: 将反相放大器连接多个输入,就成了一个加法放大器。
输出Vout=-[(Rf/R1)V1+(Rf/R2)V2+(Rf/R3)V3]
若:R1=R2=R3=R Vout=-Rf/R(V1+V2+V3)
若:R1=R2=R3=Rf Vout=V1+ V2 + V3 做加法。
此外通过调整 Rf/R 可以求n 个输入信号的算入平均值。 R=n Rf
差分放大器:对微弱有用信号采用差分放大器进行放大。 放大差模 抑制共模
Vout=R2/R1(V2-V1);
用公式来说明其放大差模抑制共模的能力:
V2=V+ +V n
V1=V- +Vn
Vn为传输过程中的干扰信号,在V2和V1达到差分放大器后,V2-V1消去了共模信号,而来自于传感器或者其它的差模信号V+和V-得到了放大。
实际应用过程中,并不是所有的共模信号都能被消去,因此有共模抑制比的概念:
共模抑制比:CMR=20lg(Av(差模)/Av(共模)) dB
Av(差模)—— ——差模信号电压增益 Av(共模)—— ——共模信号电压增益
仪表放大器:(多运放)
特点:输入阻抗很高、共模抑制比很高、输出阻抗地。
A1和A2构成同相放大器——提供高输入阻抗 和电压增益 A1和A2对称使用
A3位差分放大器
仪表放大器的增益(三运放):Vout=(1+(2R1/RG))(V2-V1)
有源微分器 积分器:
前面学习过由RC电路组成的微分器和积分器,但是其输出部分无运放做封闭,其RC时间常数,容易受到后续电路输入阻抗的影响而变得不稳定。
有源微分器: 输出与该时刻输入的变化率相等。
ΔVin/Δt=VE Vout= —VE 与输入的变化率增益为-1
有源积分器: 某一时刻的输出为之前输入信号的总面积:
输出等于 —(输入幅度X时间 ) 即为 -(为输入与时间积分) 增益-t
有源滤波器:利用运放组成的有源滤波
有源滤波和无源滤波的区别:
有源滤波器:集成运放和 R、C 组成,具有不用电感、体积小、重量轻等优点。 集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出电阻小,构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限,所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。由于有运放的封闭,后续的电路输入阻抗不会对滤波器造成影响,因此有源滤波器更好的频率特性。
无源滤波器:这种电路主要有无源元件 R、L 和 C 组成;
(1) 有源滤波器是电子的,无源滤波器是机械的。(2) 有源滤波器是检测到某 一设定好的谐波次数后抵消它,无源滤波器是通过电抗器与电容器的配合形成某 次谐波通道吸收谐波。(3) 采用无源滤波器因为有电容器的原因,所以可提高功 率因素。采用有源滤波器只是消除谐波与功率因素无关。(4) 有源滤波器造价是 无源滤波器的 3 倍以上,无源滤波器造价相 对较低(5) 有源滤波器用于小电流,无源滤 波器可用于大电流。
有源高通滤波器: 在无源高通滤波器之后加一个 同相放大器
一阶有源高通:; 衰减量 -3dB
二阶有源高通: ; 衰减量 -3dB
二阶的高通滤波比一阶高通频率特性更好,在截止频率前,低频信号衰减更快。
为达到较好的阻尼系数,二阶有源高通滤波器的Rf/R1=0.586.
但是由于运放自身的带宽限制,高通滤波器的频率也不是可以无限增大的,当达到一定频率达到一定程度后。同样出现衰减
有源低通滤波器: 在无源低通滤波器之后加一个 同相放大器
一阶有源低通:; 衰减量 -3dB
二阶有源低通: ; 衰减量 -3dB
有源带通滤波器: 将有 源高通滤波器 和 有源低通滤波器 组合
频率接近于fc的方可通过: ; 衰 减量 -3dB
有源带阻滤波器: (陷波器)
应用:设备使用过程中,常容易被50HZ的市电干扰所影响,这时可以使用陷波器将50HZ频率附近的噪音进行滤除。