介紹

運(yùn)算放大器或“運(yùn)算放大器”有 5 個主要連接：

VS+ 和 VS- 稱為電源軌，為運(yùn)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(shí)際上，它被限制為略小于 VS+/大于 VS-，具體取決于特定的運(yùn)算放大器和負(fù)載（從運(yùn)算放大器汲取多少電流）。這是由于內(nèi)部晶體管上的電壓降造成的。

V+ 和 V- 是運(yùn)算放大器的輸入，并且是差分的，這意味著運(yùn)算放大器根據(jù)這兩個輸入之間的值差進(jìn)行工作。顧名思義，運(yùn)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(shù)運(yùn)算放大器約為 100,000 倍——但是可以使用一些技術(shù)使運(yùn)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(jù)電壓較高者產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)字輸出（高或低、1 或 0、真或假）的設(shè)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(yùn)算放大器的正電源連接到 +5V，將負(fù)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(yùn)算放大器提出這樣的問題：V+ 是否大于 2.5V？

當(dāng) 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(dāng) 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(qū)

運(yùn)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(dāng)提供給運(yùn)算放大器的源信號也是高阻抗時，這一點(diǎn)尤其重要，這意味著它不能提供太多電流，否則，當(dāng)運(yùn)算放大器或負(fù)載汲取的電流拉低電壓時，信號會失真。

在上面的示例中，負(fù)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(dá)負(fù)載時嚴(yán)重失真（綠色跡線）。

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

由于構(gòu)成運(yùn)算放大器的內(nèi)部組件上存在壓降，我們發(fā)現(xiàn)在該負(fù)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(yùn)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(yùn)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(zhuǎn)換為低阻抗輸出。

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

V+ > V-。運(yùn)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(yùn)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(yùn)算放大器輸出保持不變。

正差分輸出

負(fù)差分輸出

零差分輸出

我們可以看到，運(yùn)算放大器始終會調(diào)整輸出/V-以減少差分輸入，直到輸出與V+輸入匹配并穩(wěn)定。另一個術(shù)語是輸出跟蹤 V+ 輸入。

放大器

最后，我們討論運(yùn)算放大器的同名實(shí)現(xiàn)——實(shí)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(shù)）。

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(dǎo)致增益為 2。輸出可能并不完全符合您的預(yù)期，因?yàn)樗?5V 為中心，但從技術(shù)上講，這是正確 - 所有電壓均已乘以 2。2.5V 中心變?yōu)?5V，3V 峰值變?yōu)?6V，2V 谷值變?yōu)?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(dú)的緩沖運(yùn)算放大器提供）：

現(xiàn)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(dāng)然，我們還可以通過向運(yùn)算放大器的負(fù)電源軌提供負(fù)電壓（當(dāng)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(chǎn)生 4 倍增益：

帶遲滯的比較器（施密特觸發(fā)器）

滯后現(xiàn)象可以描述為不愿改變。遲滯本質(zhì)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(dāng)輸入徘徊在閾值附近時，這對于防止輸出翻轉(zhuǎn)（快速變化）非常有用。例如，我們可能有一個風(fēng)扇，當(dāng)溫度高于 30°C 時，風(fēng)扇就會打開；我們可能會發(fā)現(xiàn)，一旦風(fēng)扇打開，溫度就會降至 30°C 以下（例如 29.99°C），導(dǎo)致風(fēng)扇再次關(guān)閉 – 一旦風(fēng)扇關(guān)閉，溫度就會回升再次升至30°C，風(fēng)扇再次開啟。這個循環(huán)可能會非?？焖俚刂貜?fù)，這可能會損壞風(fēng)扇電機(jī)，并惹惱附近的任何人。向該系統(tǒng)添加遲滯意味著這樣的說法：當(dāng)溫度達(dá)到 31°C 時風(fēng)扇打開，但直到溫度降至 29°C 以下之前它可能不會再次關(guān)閉。

通過將輸出反饋回 V+ 輸入，可以將遲滯添加到比較器運(yùn)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(dāng)噪聲輸入超過閾值時，輸出會快速打開和關(guān)閉。

添加遲滯后，我們得到了一個干凈的單開關(guān)：

運(yùn)算放大器規(guī)格

當(dāng)然，有許多不同型號的運(yùn)算放大器可供選擇，其規(guī)格和成本各不相同。一些規(guī)格包括運(yùn)算放大器對輸入變化的反應(yīng)速度（帶寬，這將決定運(yùn)算放大器可以處理的最大頻率）、運(yùn)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(yùn)算放大器可以輸出多少電流，等等；供應(yīng)商網(wǎng)站上的參數(shù)搜索和數(shù)據(jù)表檢查將有助于為特定應(yīng)用選擇正確的運(yùn)算放大器。

結(jié)論

運(yùn)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(shù)字應(yīng)用中用作比較器。

審核編輯：黃飛

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