運算放大器基礎(chǔ)公式與應用解析
運算放大器作為模擬信號處理與放大領(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)。
在實際應用運算放大器時,需依據(jù)具體電路來計算放大倍數(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算公式:
對于反相放大電路,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,另有表達式 Vout=A×(Vin+ −Vin− ) 可用于相關(guān)計算。
運算放大器的主要特點涵蓋差分輸入方式、高輸入阻抗、低輸出阻抗、大增益(一般為10^5~10^6)以及無輸出電阻限制等優(yōu)勢。
以下對差動放大器這一常見放大器類型進行介紹:


差動放大器在儀表放大場景中時有應用。其電路往往僅需一個運算放大器。該電路的傳遞函數(shù)具有特定形式。

差動放大器結(jié)構(gòu)簡單,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,將信號分壓后再放大并非實現(xiàn)優(yōu)良噪聲性能的理想方法。針對反相通路,額外電阻的引入使得反相放大電路的噪聲增益高于信號增益。若要提升輸入阻抗,需增大電阻值,但這又會引發(fā)更多噪聲。共模抑制比同樣受限。為改善這些不足,可首先對輸入進行緩沖,借此解決輸入阻抗問題。

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

由于可采用阻值極小的電阻器,第一級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,將增益分配到兩級放大器后,每級增益相對降低,從而擺脫增益帶寬乘積的限制。然而,共模抑制比問題仍未得到徹底解決。該電路會同時放大共模信號與差分信號,而所有共模抑制依賴于差分放大級實現(xiàn),容易超出第一級的輸入電壓范圍。

差動放大器結(jié)構(gòu)簡單,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,將信號分壓后再放大并非實現(xiàn)優(yōu)良噪聲性能的理想方法。針對反相通路,額外電阻的引入使得反相放大電路的噪聲增益高于信號增益。若要提升輸入阻抗,需增大電阻值,但這又會引發(fā)更多噪聲。共模抑制比同樣受限。為改善這些不足,可首先對輸入進行緩沖,借此解決輸入阻抗問題。

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

由于可采用阻值極小的電阻器,第一級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,將增益分配到兩級放大器后,每級增益相對降低,從而擺脫增益帶寬乘積的限制。然而,共模抑制比問題仍未得到徹底解決。該電路會同時放大共模信號與差分信號,而所有共模抑制依賴于差分放大級實現(xiàn),容易超出第一級的輸入電壓范圍。
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