13-《电子入门趣谈》第二章_电子电路的神经网络-2.2集成运算放大器

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2.2  集成运算放大器

实验室常用的放大器芯片是OP07和LM324，OP07是一个芯片上只集成了一个放大器，LM324的一个芯片上集成了4个芯片，下面就以OP07为例介绍放大器的使用和实际电路。

下图是OP07的引脚分布图：

 

V+接正电源，V-接地或负电源，2、3号管脚为输入端，6号管脚为输出端，其他管脚一般置空即可。

OP07用法简单，下面介绍几个实用电路。

例1：放大电路

根据虚短、虚断原则，，这里有一个小问题不知道您注意没注意到，假如R1=1K，R2=2K，Ui=2V可以算出Uo=4V；那么，假如Ui=2V，R1=1K都不变，R2变成100K，请问Uo此时该输出多大呢？是脱口而出200V吗？

这里一定要注意，放大器的放大能力始终受VCC的影响，无论原理上放大倍数是多大，输出信号肯定不会超过VCC去，要不然就见鬼了。

 

例2：电压跟随器

电压跟随器就是输入电压通过一个放大器后大小不变再输出去。

有人可能会问，电压跟随器有和作用啊？输入电压和输出电压根本就是一回事！告诉您，作用非常大，它能提高输出端的接负载能力,什么是“接负载能力”。举一个例子，假如说我想给一个系统加6V电源，但是我现在只有12V电源，该怎么办，最简单的一个想法就是利用电阻分压原理分出6V来，如下图所示，如果R1=R2的话，Vi很容易算出等于6V，但是当它接上负载之后还依然是6V吗？我们可以把负载系统等效于一个负载阻抗Z，接上它之后就相当于在R2上并联了一个Z，大家再考虑一下，此时的Vi还等于6V吗？肯定不是。只有当Z远远大于R2时候，Vi才最接近6V（请思考一下这是为什么？）。

 

将上图的系统改为下图所示，中间放大器部分就是一个典型的电压跟随器，它的作用就是保证Vo=Vi，并且后面的负载系统无论是啥样都不会影响到前面的Vi值。这种思想也很常见，比如用示波器或万用表去测量某点电压，我们用表笔触及某个测量点时实际上就是给原始电路并联了一个系统，这样测出来的值就会有变化，所以为了测量准确性，示波器或万用表里肯定会有相应的耦合电路，保证接入的测量系统不改变原始系统。

例3：比较器

 

 

VCC 和-VCC是电源端。当VA>VB时，输出正电源；反之输出负电源。在这可能有人会纳闷，VA和VB根据虚短虚断原则，不应该是一样大吗，为哈还比较呢？需要注意，放大器只有在“深度负反馈”情况下才满足“虚短虚断”原则，何为深度负反馈？最简单的就是用一个电阻连接输入和输出，再复杂的情况根据具体情况另行分析。

学术一点的解释是：当去掉运放的反馈电阻时（或者说反馈电阻趋于无穷大时），理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大，如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出不是高电平（VCC），就是低电平（-VCC或接地）。当正向输入端的电压大于反向输入端电压时，输出为高电平，数值上约等于VCC，反之输出地或者-VCC。

下图使用两个OP07组成了一个电压上下限比较器。

电阻R1、R1’组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2’组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压Ui同时加到OP07_1的正输入端和OP07_2的负输入端之间，当Ui >U1时，运放OP07_1输出高电平；当Ui＜U2时，运放OP07_2输出高电平。

若选择U1>U2，则当输入电压Ui越出[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。

这个电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。

 

 

例4：单稳态触发器

单稳态触发器可以将过窄或过宽的输入脉冲整形成固定宽度的脉冲输出，下图为放大器组成的单稳态触发器电路图。

此电路可用在一些自动控制系统中。电阻R1、R2组成分压电路，为运放OP07负输入端提供偏置电压U1，作为比较电压基准。静态时，电容C1充电完毕，运放OP07正输入端电压U2等于电源电压VCC，故OP07输出高电平。当输入电压Ui变为低电平时，二极管D1导通，电容C1通过D1迅速放电，使U2突然降至低电平，此时因为U1>U2，故运放OP07输出低电平。当输入电压Ui变高时，二极管D1又截止，电源电压通过R3又给电容C1充电，当C1上充电电压大于U1时，既U2>U1，OP07输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然，提高U1或增大R2、C1的数值，都会使单稳延时时间增长，反之则缩短。

例5：加法器

加法器的用途也非常广泛，运算方法依然遵循着“虚短、虚断”的原则，可以很容易的算出；在数字计算机诞生之前，模拟计算机就是这样搭建出来的，比如算个加法就得这样搭电路，如果想进行其他运算就需要重新搭建电路，特别麻烦，这也催化了数字计算机的诞生。

例6：减法器

所以在设计减法器的时候参数选择很重要，

例7：有源滤波器

有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。滤波器的概念是信号处理领域里一个非常重要的概念，想要完成一个信号滤波过程，通常是先把信号从时域转换到频域，然后根据要求抑制掉我们不需要的频率成分，留下我们需要的频率成分。这里面包含着非常多的知识，尤其是数字信号处理这门课程的发展更是让滤波器的理论更上一层楼，在本书中的“Matlab数字信号处理GUI”一章中，就对数字信号处理相关知识做了一些基本介绍。

常用滤波器的类型有四种：

低通滤波器（LPF）：允许低频信号通过，抑制高频信号。

高通滤波器（HPF）：允许高频信号通过，抑制低频信号；

带通滤波器（BPF）：允许中间频率信号通过，抑制低频和高频信号。

带阻滤波器（BEF）：抑制中间频率信号，允许低频和高频信号通过。

四种滤波器的幅频特性曲线如下图所示：

 

下图分别有源低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器的原理图。

 

 

上文中提到电容的滤波效应时曾引用过其中的低通滤波器，并从感性上分析了一下，滤波器一般会涉及到滤波阶数和传递函数等概念，这里面包含的知识非常丰富，在设计滤波电路的时候也很麻烦，通常可以借助于工程计算曲线或者计算机辅助软件。

例8 积分电路和微分电路

积分电路的有很多作用，比如在电子开关中用于延时，将方波转化为三角波，在AD转换中将电压量转换为时间量，移相等等。利用集成运放设计积分电路非常简单，电路图如下图所示：

由于输出的是一个积分关系式，所以这种电路就叫做积分电路了，微分电路只需要电阻和电容换个位置，电路图如下图所示：

由于输出的是一个微分关系式，所以这种电路叫做微分电路，微分电路也常用于移相、预测等作用。

有关放大器的其他作用，分析方法基本与上文中提到的类似，大家遇到集成放大器电路的时候不要害怕，稍微动动脑子，其实很容易就能克服。

 

未完待续。。。