第3节 “运算”放大器 (修订中)
[TOC]
早在数字电子技术出现之前，计算机就通过使用电压和电流来表示数字量来进行电子计算。这对于模拟物理过程特别有用。例如，可变电压可能代表物理系统中的速度或力。通过使用电阻[分压器](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct- 放大器 (opens new window)，可以很容易地对这些信号进行除法和乘法的数学运算。
# 1. 微积分导数函数作为计算电容器电流的基础
[电容器](https://www.allaboutcircuits.com/video- 电感器 (opens new window)的电抗特性非常适合模拟与微积分函数相关的变量。还记得通过电容器的电流如何是电压变化率的函数，以及该变化率如何在微积分中被指定为_导数_？好吧，如果电容器两端的电压代表物体的速度，那么通过电容器的电流将代表加速或减速该物体所需的力，电容器的电容代表物体的质量：
这种微积分导数函数的模拟电子计算在技术上被称为_微分_，它是电容器电流相对于施加在其上的电压的自然函数。请注意，该电路不需要“编程”即可像数字计算机那样执行这种相对高级的数学功能。
与复杂的物理系统相比，电子电路的创建非常容易且成本低廉，因此这种模拟电子仿真被广泛用于机械系统的研究和开发。然而，为了进行真实的模拟，这些早期计算机需要高精度和易于配置的放大器电路。
# 2. 差分相对于单端放大器的优势
在模拟计算机设计过程中发现，具有极高电压增益的差分放大器比具有定制设计增益的单端放大器更能满足这些精度和可配置性要求。使用连接到高增益差分放大器的输入和输出的简单组件，几乎可以从电路中获得任何增益和任何功能，总体而言，无需调整或修改放大器本身的内部电路。这些高增益差分放大器后来被称为_运算放大器_或运算放大器，因为它们应用于模拟计算机的数学运算。
# 3. 运算放大器的一些特性
现代运算放大器 (opens new window)与流行的型号 741 一样，是高性能、廉价的集成电路。它们的输入阻抗非常高，741 的输入消耗的电流在半微安（最大值）范围内，而对于使用场效应输入晶体管的运算放大器来说则要小得多。741 型的输出阻抗通常非常低，约为 75 Ω，而且许多型号都内置了输出短路保护，这意味着它们的输出可以直接短路到地而不会对内部电路造成损害。通过运算放大器的内部晶体管级之间的直接耦合，它们可以像放大交流信号一样放大直流信号（达到一定的最大电压上升时间限制）。除非需要高功率能力，否则设计类似的分立晶体管放大器电路以匹配这种性能将花费更多的金钱和时间。
下图显示了单个运算放大器（包括741 ）安装在 8 针 DIP（双列直插式封装）集成电路____中__时__的引脚连接：
某些型号的运算放大器采用两个封装，包括流行的型号 TL082 和 1458。这些被称为“双”单元，通常也采用 8 引脚 DIP 封装，具有以下引脚连接：
运算放大器也可提供四个封装，通常采用 14 引脚 DIP 排列。不幸的是，这些“四路”运算放大器的引脚分配不像“双路”或单路运算放大器那样标准。有关详细信息，请参阅制造商数据表。
实际运算放大器的电压增益在 200,000 或更高的范围内，这使得它们本身几乎无法用作模拟差分放大器。对于电压增益 (A V ) 为 200,000 且最大输出电压摆幅为 +15V/-15V 的运算放大器，只需 75 µV（微伏）的差分输入电压即可将其驱动至饱和或截止！在我们了解如何使用外部组件将增益降低到合理水平之前，让我们研究一下“裸”运算放大器本身的应用。
# 4. 比较器
一种应用称为_比较器_。出于所有实际目的，我们可以说，如果 (+) 输入比 (-) 输入更正，则运算放大器的输出将完全饱和，如果 (+) 输入小于正，则完全负饱和比 (-) 输入。换句话说，运算放大器的极高电压增益使其可用作比较两个电压并在一个输入幅度超过另一个时改变输出电压状态的设备。
在上述电路中，我们连接了一个运算放大器作为比较器，将输入电压与电位器 (R 1 ) 设置的参考电压进行比较。如果 V in低于 R 1设置的电压，则运算放大器的输出将饱和至 +V，从而点亮 LED。否则，如果 V in高于参考电压，LED 将保持关闭状态。如果 Vin 是由测量仪器产生的电压信号，则此比较器电路可以用作“低”警报，触发点由 R 1设置。运算放大器输出可以代替 LED 驱动继电器、[晶体管](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 可控硅 (opens new window)，或任何其他能够将电源切换到负载的设备，例如电磁阀，以便在发生低警报时采取行动。
# 5. 方波转换器
[所示比较器](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/experiments/chpt- 方波 (opens new window)转换器。假设施加到反相 (-) 输入的输入电压是交流正弦波，而不是稳定的直流电压。在这种情况下，只要输入电压等于电位器产生的参考电压，输出电压就会在相反的饱和状态之间转换。结果将是一个方波：
调整电位器设置会改变施加到同相 (+) 输入的参考电压，这会改变正弦波交叉的点，从而改变方波的开/关时间或_占空比_：
很明显，交流输入电压不必是正弦波，特别是对于该电路执行相同的功能。输入电压可以是三角波、锯齿波或任何其他从正到负再到正的平滑斜坡的波。这种比较器电路对于产生不同占空比的方波非常有用。这种技术有时被称为_脉宽调制_或 PWM（根据控制信号改变或_调制波形，在这种情况下是由电位计产生的信号）。_
# 6. 条形图驱动程序
另一个比较器应用是条形图驱动器。如果我们有几个运算放大器作为比较器连接，每个运算放大器都有自己的参考电压连接到反相输入，但每个运算放大器都在其非反相输入上监控相同的电压信号，我们可以构建一个条形图式仪表，例如常见的在立体声调谐器和图形均衡器的表面上看到。随着信号电压（代表无线电信号强度或音频音量）的增加，每个比较器将依次“打开”并向其各自的 LED 供电。随着每个比较器在不同级别的音频声音下“打开”，点亮的 LED 数量将指示信号的强度。
在上图所示的电路中，随着输入电压向正方向增加，LED1 将首先亮起。随着输入电压的不断增加，其他 LED 将依次亮起，直到全部亮起。
在某些模数信号转换器（即_闪存转换器_）中使用了相同的技术，以将模拟信号量转换为代表数字数字的一系列开/关电压。
# 7. 总结
- 三角形是放大器电路的通用符号，宽端表示输入，窄端表示输出。
- 除非另有说明，放大器电路中的_所有_电压均以公共接_地点_为参考，通常连接到电源的一个端子。这样，我们可以说在单根导线上“施加”了一定量的电压，同时意识到电压始终是在两点之间测量的。
- 差分放大器_是放大两个信号输入之间的电压_差_的放大器。在这样的电路中，一个输入倾向于将输出电压驱动到与输入信号相同的极性，而另一个输入则正好相反。因此，第一个输入称为_同相(+) 输入，第二个称为_反相_(-) 输入。
- 运算放大器（或简称运算放大器）是具有极高电压增益（A V = 200,000 或更高）的差分放大器。它的名字来源于它最初用于模拟计算机电路（执行数学运算）。
- 运算放大器通常具有非常高的输入阻抗和相当低的输出阻抗。
- 有时运算放大器用作信号_比较器_，在完全截止或饱和模式下工作，具体取决于哪个输入（反相或同相）具有最大电压。比较器可用于检测“大于”信号条件（将一个与另一个进行比较）。
- 一种比较器应用称为_脉宽调制器_，它是通过将正弦波交流信号与直流参考电压进行比较来实现的。随着直流参考电压的调整，比较器的方波输出会改变其占空比（正时间与负时间）。因此，直流参考电压控制或_调制_输出电压的脉冲宽度。
相关练习：
总目录：