模電課程設計(掌握這幾個經典的運放電路)

簡單模電設計,掌握這幾個經典的運放電路就夠用了

 

文/Edward

比例放大器

在做模擬信號處理的時候,有時候由于信號的幅度太小,不利于后續的電路處理,因此需要預先將小信號進行放大。做放大的時候,就要運用運放了?;旧现灰心M信號的地方,都會用到運放。注意這里的運算放大器,不僅僅只是對電壓信號進行簡單的放大,這里更加體現的重點是"運算"。比例放大電路將一個信號等比例放大的電路是比例放大電路。這里請注意,如果一個信號是交流信號,即有負半周部分,則應當使用如μA741之類的雙電源運放;如果處理僅有正半周的信號時,則應當選擇如LM324之類的單電源運放,如果不按照這個方式選擇運放,則會產生一個為電源電壓一半的直流偏置,不利于后續處理。比例放電電路有兩種,一種是正向電壓放大器,如圖1所示;一種是反向電壓放大器,如圖3所示。圖1中VOUT和VIN之間的關系為:

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圖1 正向電壓放大器

這里假設有一個信號S,其為頻率1K,幅度0.1V的正弦信號,需要設計一個10倍的放大電路將其放大至1V。則設計的電路及波形如圖2所示。

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圖2 正比例放大器的電路及波形

另一種放大器為反相放大器,或者稱反比例放大器。對于周期信號來說,反相放大的即是指將其信號的相位移90度。如圖2-7所示。圖3中VOUT和VIN之間的關系為:

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圖3 反向電壓放大器

這里假設有一個信號S,其為頻率1K,幅度0.1V的正弦信號,需要設計一個10倍的放大電路將其反向放大至1V。則設計的電路及波形如圖4所示。

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圖4 反比例放大器的電路及波形

本文對于模擬電路的講解,僅限于一些結果的呈現,由于內容比較繁多,因此如果模擬電路基礎薄弱的,還需多花時間進行系統學習。 電壓跟隨器與反相器電壓跟隨器,其實可以看成是一種特殊的運算放大器,即輸入電壓信號與輸出電壓信號的幅值比例為1,相位差為0,即增益為1的運算放大器。有些讀者可能會有疑惑,增益為1,那豈不是相當于一種直來直往的器件?內部是否任何工作都沒有做?其實不然,先看一下圖5展示的電壓跟隨器及其波形,后續再做詳細講解。

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圖5 電壓跟隨器電路及其波形

電壓跟隨器與反相器

電壓跟隨器,雖然對信號相當于未作任何處理,但是其存在的必要性是無法代替的,主要目的是改變兩個電路系統之間連接的阻抗。對于我們后續的設計中,如果有多級電路串聯來傳遞信號的,那么應該第一反應就是考慮是否需要加跟隨器。先看電壓跟隨器是如何改變電路連接的阻抗的。假設有一個電阻分壓的電路,對一個正弦波進行分壓,并且送給另一個采樣電路去采樣,且采樣電路的輸入阻抗為10K。如圖6所示。

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圖6 電阻分壓采樣示意圖

圖6,很明顯可以看到電阻R2和R3處于并聯關系,因此其總阻抗其實是變成了10K左右,本來R1是和R2的分壓,結果變成了R2和R3的并聯等效電阻的分壓了,這就造成了后級電路對前級電路的影響,是我們所不期望的。運放由于其特性,決定了它的輸入阻抗是非常大的,近似可以看作輸入短路,這叫"虛斷"。因此將其組成電壓跟隨器加在兩級電路中間,可以基本隔絕兩端電路的相互影響,又對傳輸信號沒有任何影響,如圖7所示。

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圖7 電壓跟隨器隔離電路

關于第二個信號延時功能一會再說,先來看反相器。反相器,顧名思義就是增益為-1的運放,即輸出信號與輸入信號的幅度相等,相位相差90度。如圖8所示。

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圖8 反相器及其波形

反相器比較好理解,這里就不做過多解釋了。

 

加法器和減法器

加法器和減法器可以看作一個類型的器件,當有兩個電壓信號S1,S2,需將其疊加輸出,產生S3,使得S3=S1+S2。那么其電路如圖9所示。

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圖9 加法器電路

而想要實現減法器,即S3=S2-S1,參考圖10。

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圖10 減法器電路

假定R4/R3=n,只需修改n的值,則可以實現減法比例放大,且滿足S3=n*(S1-S2)。這個可以自己去嘗試,需要注意的是,R1的值一定要和R4相等。

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