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  • 运放内部电路工作原理
    2022-04-24 15:54:06

    一、 概述 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源 使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大 器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC 增益部件和其它所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 二、 特点 内部频率补偿。 低输入偏流。 低输入失调电压和失调电流。 共模输入电压范围宽,包括接地。 差模输入电压范围宽,等于电源电压范围。 直流电压增益高(约 100dB)。 单位增益频率带宽(约 1MHz)。 电源电压范围宽:单电源(3V ~ 20V);双电源(±1.5V ~ ±10V)。 低功耗电流,适合于电池供电。 输出电压摆幅大(0 ~ VCC-1.5V)。 采用 SOP-8、D

    LM358管脚说明

     LM358电路应用原理图

     

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    首先看一个一个运放内部的简图,下为741运放的简化,分为输入级,达林顿放大级,输出级。 输入级: 重要的关系式:ic1=ic3=ic4,得出:io=ic4-ic2 即 io=ic1-ic2,又有ic1+ic2=IA, 又根据三极管的饱和...

    1、首先看一个一个运放的内部的简图,下图为741运放的简化图,分为输入级,达林顿放大级,输出级。

     输入级:

     重要的关系式:ic1=ic3=ic4,得出:io=ic4-ic2 即 io=ic1-ic2,又有ic1+ic2=IA

    又根据三极管的饱和电压和热电流VT的关系得出:ic = Is * exp ( Veb / VT )

     所以ic1 / ic2 = exp [ (Vn-Vp) / VT ] 联立上面的几个关系式得出

                                     io=IA*Tanh[ (Vn-Vp) / 2VT ]

    这样也从上面的io输出可以看出当Vn=Vp的时候,理论上来是io应该是0的,

    2、下面是一个741运放的内部原理图,输入500hz的正弦波,放大倍数为10倍(1+9k/1k),输出幅度为10v的500hz正弦波。

    3、注意到运放内部电路都有一个频率补偿电容,上图中就是C1,30p,这个电容就是补偿运放零点的,如果不加这个电容那么就会产生一个零点。

    如下图所示:

    加上这个30p电容后

     

     

    展开全文
  • 集成运算放大器(以后简称集成运放)是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。它的类型很多,电路也不一样,但结构具有共同之处,下所示为集成运放内部电路组成框图。
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    什么是集成运放 】【 2. 集成运放的三大特性:虚短、虚断、虚地 】【 3. 比例运算电路 】1. 反向比例2. 同向比例3. 电压跟随器【 4. 加减运算电路 】1. 求和2. 加减【 5. 积分运算电路 】【 6. 微分运算电路 】【 7...

    【 1. 什么是集成运放 】

    全称为:集成运算放大器

    我们拆解来看:

    • 集成:将电路封装,留出接口,使其模块化,便于移植。
    • 运算:这里涉及到的是一些数学运算,不过这里的运算对象不是简单的数字,而是电参量,是对电参量进行了加减乘除、积分、微分等计算。
    • 放大器:就是把电参量进行放大,比如把电压从1V放大至5V。

    总的来说,就是通过内部元器件的电参量关系将电参量进行运算,达到放大的目的。

    【 2. 集成运放的电压传输特性 】

    • 集成运放有 同相输入端 UP反相输入端 UN,这里的“同相”、“反相”是指运放的输入电压UP、UN与输出电压UO之间的相位关系。
    • 从外部看,可以认为集成运放是一个双端输入、单端输出,具有高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能较好地抑制温度漂移的 差分放大电路
    • 集成运放的输出电压UO与输入电压即同相输入端与反相输入端之间的电位差UP-UN之间的关系曲线称为 电压传输特性 ,即:UO=f(UP-UN)。对于正、负两路电源供电即 双电源供电的集成运放的电压传输特性 如图4.1.2(b)所示。从图示曲线可以看出,集成运放有线性放大区域(称为线性区)和饱和区域(称为非线性区)两部分。在线性区,曲线的斜率为电压放大倍数;在非线性区,输出电压只有两种可能的情况,+UOM或-UOM
    • 由于集成运放放大的是差模信号,且没有通过外电路引入反馈,故称其电压放大倍数为差模开环放大倍数,记作Aod,因而当集成运放工作在线性区时有:uo= Aod(uP- uN),通常Aod非常高,可达几十万倍,因此 集成运放电压传输特性中的线性区非常之窄
      在这里插入图片描述

    【 2. 集成运放的三大特性:虚短、虚断、虚地 】

    • 虚短:UP=UN,两输入端电压相等。
    • 虚断:IP=IN,两输入端的输入电流为0。
    • 虚地:UP=UN=0,当信号反向输入时存在(即信号从负输入端流进,而正输入端接地)

    【 3. 比例运算电路 】

    1. 反相比例

    在这里插入图片描述

    • 虚短:uP=uN
      虚断:iN=iP=0
      虚地:uN=uP=0
    1. 由 于 i N = 0 , 则 i R = i F 。 由于i_N=0,则 i_R = i_F 。 iN=0iR=iF
    2. 由 于 u N = 0 , 则 i R = u I R , i F = − u o R f 。 由于u_N=0,则 i_R=\frac{u_I}{R}, i_F=-\frac{u_o}{R_f}。 uN=0iR=RuIiF=Rfuo
    3. 化 简 , 得 : 化简,得:
      u o = − u I R f R u_o=-u_I\frac{R_f}{R} uo=uIRRf

    2. 同相比例

    在这里插入图片描述

    • 虚短:uP=uN
      虚断:iP=iN=0
    1. 由 于 i P = 0 , 则 u P = u 1 , 故 u N = u P = u I 由于i_P=0,则u_P=u_1,故 u_N=u_P=u_I iP=0uP=u1uN=uP=uI
    2. 由 于 i N = 0 , 则 i F = i R , 即 u o − u N R f = u N R 由于i_N=0,则i_F=i_R,即 \frac{u_o-u_N}{R_f}=\frac{u_N}{R} iN=0iF=iRRfuouN=RuN
    3. 化 简 , 得 : 化简,得: u o = u I ( 1 + R f R ) u_o=u_I(1+\frac{R_f}{R}) uo=uI(1+RRf)
    • 相比反向比例放大,同向比例放大具有较高的输入阻抗,这是因为同向比例放大信号输入端直接接入运放的输入端,没有任何扇出,而反向比例放大有扇出。

    3. 电压跟随器

    在这里插入图片描述

    • 将输出电压全部反馈到反向输入端,引入电压串联负反馈。
    • 电压跟随器有 高输入阻抗、低输出阻抗 的特点,故其可以在多级电路中起到阻抗匹配、隔离的作用。
    • 虚短:uP=uN
      虚断:iP=iN=0

    对于左图来说:

    1. 由 于 i N = 0 , 则 u o = u N 由于i_N=0,则u_o=u_N iN=0uo=uN
    2. 由 于 i P = 0 , 则 u P = u I 由于i_P=0,则u_P=u_I iP=0uP=uI
    3. 由 于 u P = u N , 则 : 由于u_P=u_N,则: uP=uN
      u o = u I u_o=u_I uo=uI

    对于右图来说:
    u o = u N = u P = u I u_o=u_N=u_P=u_I uo=uN=uP=uI

    【 4. 加减运算电路 】

    1. 求和

    反相求和运算电路

    在这里插入图片描述

    • 虚短:uP=uN
      虚断:iN=iP=0
      虚地:uN=uP=0
    1. 由 于 i N = 0 , 由 K C L 方 程 得 到 i 1 + i 2 + i 3 = i F 由于i_N=0,由KCL方程得到 i_1+i_2+i_3=i_F iN=0KCLi1+i2+i3=iF
    2. 由 于 u N = 0 , 故 u I 1 R 1 + u I 2 R 2 + u I 3 R 3 = − u o R f 由于 u_N=0,故\frac{u_{I1}}{R_1}+\frac{u_{I2}}{R_2}+\frac{u_{I3}}{R_3}=-\frac{u_o}{R_f} uN=0R1uI1+R2uI2+R3uI3=Rfuo
    3. 化 简 得 到 : 化简得到:
      u o = − R f ( u I 1 R 1 + u I 2 R 2 + u I 3 R 3 ) u_o=-R_f(\frac{u_{I1}}{R_1}+\frac{u_{I2}}{R_2}+\frac{u_{I3}}{R_3}) uo=Rf(R1uI1+R2uI2+R3uI3)

    同相求和运算电路

    在这里插入图片描述

    • 虚短:uP=uN
      虚断:iP=iN=0
    1. 由 于 i N = 0 , 则 u N = u o R R + R f 由于i_N=0,则u_N=u_o\frac{R}{R+R_f} iN=0uN=uoR+RfR
    2. 由 于 u P = u N , 则 u P = u o R R + R f 由于u_P=u_N,则u_P=u_o\frac{R}{R+R_f} uP=uNuP=uoR+RfR
    3. 由 于 i P = 0 , 则 由 K C L 得 到 i 1 + i 2 + i 3 = i 4 , 即 u I 1 − u P R 1 + u I 2 − u P R 2 + u I 3 − u P R 3 = u P R 4 由于i_P=0,则由KCL得到i_1+i_2+i_3=i_4,即\frac{u_{I1}-u_P}{R_1}+\frac{u_{I2}-u_P}{R_2}+\frac{u_{I3}-u_P}{R_3}=\frac{u_P}{R_4} iP=0KCLi1+i2+i3=i4R1uI1uP+R2uI2uP+R3uI3uP=R4uP
    4. 化 简 得 : 化简得:
      u o = R f R 1 / / R 2 / / R 3 / / R 4 R / / R f ( u I 1 R 1 + u I 2 R 2 + u I 3 R 3 ) u_o=R_f\frac{R_1//R_2//R_3//R_4}{R//R_f}(\frac{u_{I1}}{R_1}+\frac{u_{I2}}{R_2}+\frac{u_{I3}}{R_3}) uo=RfR//RfR1//R2//R3//R4(R1uI1+R2uI2+R3uI3)
    5. 当 R 1 / / R 2 / / R 3 / / R 4 = R / / R f 时 , 有 : 当R_1//R_2//R_3//R_4=R//R_f时,有: R1//R2//R3//R4=R//Rf
      u o = R f ( u I 1 R 1 + u I 2 R 2 + u I 3 R 3 ) u_o=R_f(\frac{u_{I1}}{R_1}+\frac{u_{I2}}{R_2}+\frac{u_{I3}}{R_3}) uo=Rf(R1uI1+R2uI2+R3uI3)

    2. 加减运算电路

    在这里插入图片描述
    我们采用叠加定理来求
    在这里插入图片描述
    .

    1. 图 ( a ) 为 反 相 求 和 运 算 电 路 , 则 : u o 1 = − R f ( u I 1 R 1 + u I 2 R 2 ) 图(a)为反相求和运算电路,则:u_{o1}=-R_f(\frac{u_{I1}}{R_1}+\frac{u_{I2}}{R_2}) (a)uo1=Rf(R1uI1+R2uI2)
    2. 图 ( b ) 为 同 相 求 和 运 算 电 路 , 若 R 1 / / R 2 / / R f = R 3 / / R 4 / / R 5 , 则 : u o 2 = R f ( u I 3 R 3 + u I 4 R 4 ) 图(b)为同相求和运算电路,若R_1//R_2//R_f=R_3//R_4//R_5,则:u_{o2}=R_f(\frac{u_{I3}}{R_3}+\frac{u_{I4}}{R_4}) (b)R1//R2//Rf=R3//R4//R5uo2=Rf(R3uI3+R4uI4)
    3. 化 简 , 得 到 : 化简,得到:
      u o = u o 1 + u o 2 = R f ( u I 3 R 3 + u I 4 R 4 − u I 1 R 1 − u I 2 R 2 ) u_o=u_{o1}+u_{o2}=R_f(\frac{u_{I3}}{R_3}+\frac{u_{I4}}{R_4}-\frac{u_{I1}}{R_1}-\frac{u_{I2}}{R_2}) uo=uo1+uo2=Rf(R3uI3+R4uI4R1uI1R2uI2)
    4. 若 电 路 只 有 两 个 输 入 , 且 参 数 对 称 如 下 图 所 示 , 则 : 若电路只有两个输入,且参数对称如下图所示,则:
      在这里插入图片描述
      u o = R f R ( u I 2 − u I 1 ) u_o=\frac{R_f}{R}(u_{I2}-u_{I1}) uo=RRf(uI2uI1)
    5. 改进型差放:
      在使用单个集成运放构成的加减运算电路时,存在两个缺点:一是电阻的选取和调整不方便,而是对于每个信号源的输入电阻均较小(即相对于信号源内阻,电路的输入阻抗较小)。
      因此可以采用下图的两级电路实现差分比例运算。
      在这里插入图片描述
      其中第一级为同相比例运算电路,则 u o 1 = ( 1 + R f 1 R 1 ) u I 1 u_{o1}=(1+\frac{R_{f1}}{R_1})u_{I1} uo1=(1+R1Rf1)uI1,再根据叠加原理,可以得到: u o = − R f 2 R 3 u o 1 + ( 1 + R f 2 R 3 ) u I 2 u_o=-\frac{R_{f2}}{R_3}u_{o1}+(1+\frac{R_{f2}}{R_3})u_{I2} uo=R3Rf2uo1+(1+R3Rf2)uI2
      R 1 = R f 2 , R 3 = R f 1 , 则 : R_1=R_{f2},R_3=R_{f1},则: R1=Rf2R3=Rf1,
      u o = ( 1 + R f 2 R 3 ) ( u I 2 − u I 1 ) u_o=(1+\frac{R_{f2}}{R_3})(u_{I2}-u_{I1}) uo=(1+R3Rf2)(uI2uI1)
      从电路组成可以看出,无论对于 u I 1 u_{I1} uI1、还是对于 u I 2 u_{I2} uI2,均可认为输入电阻为无穷大。

    【 5. 积分运算电路 】

    在这里插入图片描述

    • 在实际电路中,为了防止低频信号增益过大,常在电容上并联一个电阻加以限制,如图7.1.16种虚线所示,下面分析中不考虑此电阻的存在。
    • 虚短:uP=uN
      虚断:iN=iP=0
      虚地:uN=uP=0
    1. 由 于 u N = 0 , 则 i R = u I R 由于u_N=0,则 i_R=\frac{u_I}{R} uN=0iR=RuI
    2. 由 于 i N = 0 , 则 i c = i R = u I R 由于i_N=0,则 i_c=i_R=\frac{u_I}{R} iN=0ic=iR=RuI
    3. 由 于 i c = C d u c d t , 则 u c = 1 C ∫ i c d t = 1 R C ∫ u I d t 。 由于i_c=C\frac{du_c}{dt},则u_c=\frac{1}{C}\int{i_c}dt=\frac{1}{RC}\int{u_I}dt。 ic=Cdtducuc=C1icdt=RC1uIdt
    4. 由 于 u o = − u c , 则 化 简 得 : 由于u_o=-u_c,则化简得: uo=uc
      u o = − 1 R C ∫ t 1 t 2 u I d t + u o ( t 1 ) u_o=-\frac{1}{RC}\int_{t1}^{t2}{u_I}dt+u_o(t1) uo=RC1t1t2uIdt+uo(t1)
    5. 当 u I 为 常 量 时 , 输 出 电 压 u o 为 : 当 u_I 为常量 时,输出电压u_o为: uIuo
      u o = − 1 R C ( t 2 − t 1 ) u I + u o ( t 1 ) u_o=-\frac{1}{RC}(t_2-t_1)u_I+u_o(t1) uo=RC1(t2t1)uI+uo(t1)
      在这里插入图片描述
      当输入为阶跃信号时,输出为;
      当输入为方波信号时,输出为三角波;
      当输入为正弦波信号时,输出为余弦波。

    【 6. 微分运算电路 】

    在这里插入图片描述

    • 虚短:uP=uN
      虚断:iN=iP=0
      虚地:uN=uP=0
    1. 由 于 i N = 0 , 则 i c = i R 由于i_N=0,则i_c=i_R iN=0ic=iR
    2. 由 于 u N = 0 , 则 i c = C d u c d t = C d u I d t , i R = − u o R 由于u_N=0,则i_c=C\frac{du_c}{dt}=C\frac{du_I}{dt},i_R=-\frac{u_o}{R} uN=0ic=Cdtduc=CdtduIiR=Ruo
    3. 化 简 , 得 : 化简,得:
      u o = − R C d u I d t u_o=-RC\frac{du_I}{dt} uo=RCdtduI
    4. 实 用 型 微 分 运 算 电 路 实用型微分运算电路
    • 在上图所示基本微分运算电路中,无论是输入电压产生阶跃变化,还是脉冲式大幅值干扰,都会使得集成运放内部的放大管进入饱和或截止状态,以至于即使引号消失,管子还不能脱离状态回到放大区,出现阻塞现象,电路不能正常工作;同时,由于反馈网络为滞后环节,它与运放内部的滞后环节相叠加,易于满足自激震荡的条件,从而使电路不稳定。
    • 为解决上述问题,常在输入端串联一个电阻 R 1 R_1 R1以限制输入电流,也就限制了电阻R中的电流;在反馈电阻R上并联稳压二极管,以限制输出电压幅值,保证集成运放中的放大管始终工作在放大区,不至于出现阻塞现象;在R上并联小电容C,起相位补偿的作用,提高电路稳定性。
    • 如下图所示,输入电压与输出电压成近似微分的关系,若输入电压为方波,且( R C < < T 2 ( T 为 方 波 的 周 期 ) RC<<\frac{T}{2}(T为方波的周期) RC<<2T(T),则输出为尖顶波)。
      在这里插入图片描述

    【 7. 对数运算电路 】

    在这里插入图片描述

    • 虚短:uP=uN
      虚断:iN=iP=0
      虚地:uN=uP=0
    • 精度与温度有关
    1. 二 极 管 的 正 向 电 流 与 端 电 压 的 关 系 式 : i D ≈ I s e u D u T , 故 u D ≈ u T ln ⁡ i D I s 二极管的正向电流与端电压的关系式:i_D≈I_se^\frac{u_D}{u_T},故u_D≈u_T\ln\frac{i_D}{I_s} iDIseuTuDuDuTlnIsiD
    2. 由 于 i N = 0 , u N = 0 , 则 i D = i R = u I R 由于i_N=0,u_N=0,则i_D=i_R=\frac{u_I}{R} iN=0,uN=0iD=iR=RuI
    3. 由 于 u o = − u D 化 简 , 得 : 由于u_o=-u_D化简,得: uo=uD
      u o ≈ − u T ln ⁡ u I I s R u_o≈-u_T\ln\frac{u_I}{I_sR} uouTlnIsRuI

    【 8. 指数运算电路 】

    在这里插入图片描述

    • 虚短:uP=uN
      虚断:iN=iP=0
      虚地:uN=uP=0
    • 精度与温度有关
    1. 由 于 u N = 0 , 则 u B E = u I 由于u_N=0,则u_{BE}=u_I uN=0uBE=uI
    2. 由 于 i N = 0 , 则 i R = i E = I s e u I U T 由于i_N=0 ,则i_R=i_E=I_se^{\frac{u_I}{U_T}} iN=0,iR=iE=IseUTuI
    3. 化 简 , 得 : 化简,得:
      u o = − i R R = − I s e u I U T R u_o=-i_RR=-I_se^{\frac{u_I}{U_T}}R uo=iRR=IseUTuIR

    【 9. 仪表放大器 】

    • 仪表放大器具有高输入阻抗和高共模抑制比。
      在这里插入图片描述
      根据放大器“虚短”、“虚断”的特点,我们可以知道流经 R 2 R_2 R2以及两个 R 1 R_1 R1的电流均是 i ,因此得到:
      上 面 的 R 1 电 压 : u O 1 − u I 1 = u I 1 − u I 2 R 2 R 1 上面的R_1电压:u_{O1}-u_{I1}=\frac{u_{I1}-u_{I2}}{R_2}R_1 R1uO1uI1=R2uI1uI2R1
      下 面 的 R 1 电 压 : u I 2 − u O 2 = u I 1 − u I 2 R 2 R 1 下面的R_1电压:u_{I2}-u_{O2}=\frac{u_{I1}-u_{I2}}{R_2}R_1 R1uI2uO2=R2uI1uI2R1
      上两式相加化简得到:
      u O 1 − u O 2 = ( 2 R 1 R 2 + 1 ) ( u I 1 − u I 2 ) u_{O1}-u_{O2}=(\frac{2R_1}{R_2}+1)(u_{I1}-u_{I2}) uO1uO2=(R22R1+1)(uI1uI2)
      可以看出后级电路是一个差分放大电路,其放大倍数为 R f R \frac{R_f}{R} RRf,因此得到最终的输出为:
      u O = R f R ( 2 R 1 R 2 + 1 ) ( u I 1 − u I 2 ) u_O=\frac{R_f}{R}(\frac{2R_1}{R_2}+1)(u_{I1}-u_{I2}) uO=RRf(R22R1+1)(uI1uI2)
    • 高输入阻抗分析:
      由运算放大器的“虚断”特点可知,运放的输入端具有较高的输入阻抗,而 u I 1 u_{I1} uI1 u I 2 u_{I2} uI2均接入了运放的同相输入端,故也有较高的输入阻抗。
    • 高共模抑制比分析:
      u I 1 = u I 2 u_{I1}=u_{I2} uI1=uI2时,由于 u A = u I 1 = u I 2 = u B u_A=u_{I1}=u_{I2}=u_B uA=uI1=uI2=uB,故 R 2 R_2 R2中电流 i=0,则 u O 1 = u O 2 = u I 1 = u I 2 u_{O1}=u_{O2}=u_{I1}=u_{I2} uO1=uO2=uI1=uI2,输出电压 u O = 0 u_O=0 uO=0。可见,电路抑制共模信号,当输入信号中含有共模噪声时,将被抑制。
    展开全文
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    输入输出电压通过运放LMC6482采用差分电路将输出电压按比例缩小至ADC能够采样的范围,再使用ADC采样,软件解算出输出电压。输入电压采样是通过MCU内部运放按比例缩小在送到ADC进行采样的,具体电路如图3.5.1所示。输出电压检测电路如图3.4.1所示。

    输出电流检测➢

    输出电流检测电路通过运放LMC6482采样差分放大电路实现;采样电阻放在低端,若采样电阻放在高端,会有较大的共模电压使采样电流不准确,采样电阻为10m𝛺,由于采样电阻较小,采样电阻上的压降较小,不利于直接采样,需要放大后再采样;输出电流检测电路如图3.4.2所示。

     

     

    1、低端运放电流检测方法:

    分析下原理:

    运用运放的虚短特性,既得到了:

    V+ = V-;

    运用运放的虚断特性,既输入端和输出端没有电流流过。所以R3和R6流过电流相等。

    (VOUT-V-)/R3 = V-/R6;

    由上面两个式子即可得到

    VOUT = V+ * (R3 + R6)/R6;

    而又有:

    V+ = I * R8

    所以有:

    I =V+ / R8 = VOUT * R6/(R3 + R6)/R8

    电流就这样转换出来了,调整好几个电阻的阻值,Vout 用单片机的ADC采样即可。

    2、高端电流检测电路

     

    这个电路要检测电流最终的目的就是要得到图上VOUT和V1、V2的关系。

    先来分析下输入端,虚断可知:

    V+/R7 = (V2-V+)/R5;

    虚短得到:

    V+=V-;

    输入负极的一条路电流是相等的:

    (V--VOUT)/R1 = (V1-V-)/R2;

    通常在使用该电路的时候有R1 = R7、R2 = R5。

    综合上式有:

    VOUT = (V2-V1)*R1/R2;

    V2-V1 = I*R4;

    所以 

    I = VOUT*R2/(R1*R4) ;

     

     

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