运算放大器的应用

在本教程中，我们将学习运算放大器的不同应用。运算放大器是一种具有广泛实现范围的基本模拟电路。我们将在这篇文章中学习一些重要但更常用的运算放大器应用。

运放比较器

在电子学中，比较器是一种比较两个电压(或电流)并指出哪个更大的电路结构。因此，比较器的输入在性质上应该是不同的。比较器可以很容易地使用运算放大器配置，因为运算放大器具有高增益和平衡差分输入。

理论上，开环结构(无反馈)的运放可以用作比较器。当输入电压在非反相端V₊大于反向输入端的电压V_{- - - - - -}，运算放大器的输出饱和在其正极值。当非反相输入电压降至反相输入电压以下时，运放输出切换到负饱和水平。比较电路广泛应用于模数转换器(adc)和振荡器中。

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运放反相比较器

在反相比较器中，输入电压V_在作用于运放的反相输入端，非反相输入端通过电阻R₁和R₂．只要输入电压V_在小于参考电压V_裁判，运算放大器的输出保持正饱和。当V_在高于参考电压，运算放大器的输出开关到其负饱和水平，并保持负饱和，只要V_在小于V_裁判．使用运放的比较器电路如下图所示。

通过选择电阻器R的值₁和R₂，参考电压V_裁判可以调整，比较器可以用来比较输入电压和相应的参考电压。

V_出= + V_坐；如果V_在< V_裁判

= - v_坐；如果V_在> V_裁判

运算放大器反相比较器的输入和输出波形如下图所示。

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运算放大器非反相比较器

在运放非反相比较器的情况下，输入电压V_在为非反相输入端和参考电压V_裁判，接反相输入端。当输入电压V_在大于参考电压V_裁判，运算放大器输出正饱和。在实践中，差异(V_在- v_裁判)将为正值。由于对运算放大器输入没有反馈，运算放大器的开环增益将是无穷大。因此输出将摆动到其可能的最大值，+Vsat。当输入电压低于参考电压时，输出切换到负饱和电压。

V_出= + V_坐；如果V_在> V_裁判

= - v_坐；如果V_在< V_裁判

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运放对数放大器

运算放大器可以配置为对数放大器，或简单的对数放大器。对数放大器是一种非线性电路配置，其中输出为K乘以输入电压的对数值。对数放大器在信号的乘和除、幂和根的计算、信号的压缩和解压，以及工业应用的过程控制等计算中都有应用。由于BJT的集电极电流与基极-发射极电压呈对数关系，因此可以在运放的反馈中使用双极结晶体管来构造对数放大器。

使用运放的基本对数放大器电路如图所示。对数放大器工作的必要条件是输入电压必须始终为正。可以看出V_出= - V_是．

由于晶体管的集电极是虚接地的，而基极也是接地的，因此电压-电流关系就变成了二极管的电压-电流关系，

我_E=我_年代[e。^{问(Vbe) / kT次方}- 1)

在那里,

我_年代=饱和电流，

k =玻尔兹曼常数

T =绝对温度(单位K)

自从我_E=我_C对于接地基极晶体管，

我_C=我_年代．[e^{问(Vbe) / kT次方}- 1)

(我_C/我_年代(e) =^{问(Vbe) / kT次方}- 1)

(我_C/我_年代) + 1 = [e^{问(Vbe) / kT次方}］

(我_C+我_年代) /我_年代= e^{问(Vbe) / kT次方}

e^{问(Vbe) / kT次方}=(我_C/我_年代)因为我_C> >我_年代

对方程两边取自然对数，得到

V_是= (kT / q ln (I_C/我_年代］

集电极电流I_C= V_在/ R₁和V_出= - v_是

因此,

V_出(=) - kT / q ln (V_在/ R₁．我_年代］

因此，电路的输出与输入电压的对数成正比。然而，输出取决于饱和电流，它随晶体管和温度的变化而变化。可以添加补偿电路来稳定输出，以应对这些变化。

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反对数放大器或指数放大器

反对数或指数放大器(或简单的反对数放大器)是一种运放电路配置，其输出与输入的指数值或反对数值成比例。反对数放大器的功能与对数放大器完全相反。反对数放大器和对数放大器用于对输入信号进行模拟计算。使用运放的反对数放大器电路如下图所示。

通过交换晶体管和电阻的位置，可以使对数放大器作为反对数放大器工作。根据虚拟地的概念，晶体管的基极-集电极电压保持在地电位。当前我_E因为晶体管由，

我_E=我_年代[e。^{问(Vbe) / kT次方}- 1)

对于接地基极晶体管，I_E=我_C．因此,

我_C=我_年代[e。^{问(Vbe) / kT次方}- 1)

我在哪里,_年代晶体管的饱和电流

V_出=我_C．R₁

V_出=我_年代[e。^{问(Vbe) / kT次方}- 1)。R₁

同样，对于上述电路V_在= - v_是．因此,

V_出= R₁．我_年代[e。^{q (- v_在) / kT}- 1)

由于I的变化，反对数放大器的输出也不稳定_年代对于不同的晶体管和温度的依赖性。可以添加补偿电路来稳定输出，以应对这种变化。

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电流电压变换器

运算放大器电流-电压转换器，也被称为跨阻抗放大器，是将输入电流的变化转换为相应的输出电压的电路。电流-电压转换电路最常用来将光电二极管、光电探测器、加速度计和其他传感器设备的输出电流放大到一个明显和可用的电压水平。

一个简单的电流-电压转换电路会有一个反馈电阻，它的阻值很大。放大器的增益与这个电阻有关。根据应用的不同，可以用不同的方法构造电流-电压转换器。所有的配置都将传感器设备的低电平输出电流转换为一个显著的电压水平。电路的增益和带宽随传感器类型的不同而变化。

基本的电流-电压转换器的电路如图所示。所述传感装置，在本例中为光电二极管，所述传感装置与所述反相输入端相连，所述非反相输入端接地。这为光电二极管提供了一个低阻抗负载，保持低电压横跨光电二极管。运算放大器的高增益使光电二极管电流Ip等于通过电阻R的反馈电流_f．由于光电二极管的输入偏置电压很低，因为光电二极管没有外部偏置。这提供了一个大的输出增益，没有任何输出偏置电压。

上述电路的输出电压可以表示为:

V_出= -我_P．R_f

上述公式仅适用于直流增益和低频增益的电流电压变换器。如果增益很大，运算放大器非反相输入端的任何输入偏置电压都将导致输出偏置电压。为了最小化这些影响，电流-电压变换器通常在运放输入端设计fet，其输入偏置电压非常低。

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运放反相器

运放反相放大器，或反相器，对输入信号进行反相和放大。在反相放大器的输入端一个正信号会在输出端产生一个负信号，反之亦然。在输入端一个交流正弦信号会产生180^o输出端相位不一致的正弦信号。

上图显示了使用运算放大器的典型反相放大器的电路。电路采用负反馈连接，通过电阻R_f．所述输入信号作用于所述反相输入端，所述非反相输入端接地。

由于运放的输入电流理想情况下为零，因此由输入电压产生的电流I流过电阻R₁和R_f．输入和输出电压的计算公式为:

V_在=天然橡胶₁

V_出=我。R_f

因此，电路A的闭环增益_CL,是

一个_CL= V_出/ V_在=(天然橡胶_f/我。R₁) = - r_f/ R₁

输入电压V_在因此被-R_f/ R₁乘以输出。可以注意到，如果两个电阻的电阻R₁和R_f，则输出电压为，

V_出= - V_在

这样的电路被称为反相缓冲器，或简称为反相器。

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运算放大器非反相放大器

非反相放大器是一种运放电路结构，其产生的放大输出信号与应用的输入信号相一致。非反相放大器采用负反馈连接，但不是将整个输出信号反馈到输入端，而是将输出信号电压的一部分作为输入反馈到运放的反相输入端。

上图显示了一个典型的非反相放大器。所述输入信号作用于所述非反相输入端，所述输出通过电阻式分压器网络馈送至所述反相输入端。

当正向输入信号作用于非反相输入端时，输出电压将移位，使反相输入端与施加的输入电压相等。因此，在电阻R上会产生一个反馈电压₂,

V_R2= V_在=我₂R₂

我在哪里,₂电流在电阻R的接口处流动吗₁和R₂．

V_出=我₂(右₁+ R₂）

由上述V的方程_在和V_出时，非反相放大器的闭环电压增益可计算为:

一个_CL= V_出/ V_在

=我₂(右₁+ R₂) /我₂R₂

= (R₁+ R₂) / R₂

一个_CL= 1 + (r₁/ R₂）

上述增益方程为正，表明输出将与应用的输入信号同步。非反相放大器的闭环电压增益是由电阻的比值R决定的₁和R₂用于电路中。

实际的非反相放大器会在输入电压源上串联一个电阻，以保持两个输入端输入电流相等。

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运算放大器应用总结

本文概述了运算放大器的广泛应用。运算放大器可以用来执行各种数学运算，如加法，减法，乘法以及微积分运算，如微分和积分。运算放大器用于各种应用，如交流和直流信号放大，滤波器，振荡器，稳压器，比较器在大多数消费和工业设备。今天，运算放大器是模拟电子电路中非常受欢迎的组成部分。

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