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芝識課堂——運算放大器(一),電路設計圖中給力的“三角形”

發布時間:2025-03-05 責任編輯:lina

【導讀】運算放大器(Operational Amplifier,簡稱Op-Amp)是一種具有高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗的直流耦合放大器件。它通常由多級放大電路組成,能夠對輸入信號進行放大、運算等處理。


從本文開始,我們要為您介紹在電路設計中非常重要且會頻繁出現的角色——運算放大器。我們會說明運算放大器的基本定義、內部原理、運作方式以及它們的電氣特性,先來看看運算放大器是什么模樣。


運算放大器長這樣


運算放大器(Operational Amplifier,簡稱Op-Amp)是一種具有高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗的直流耦合放大器件。它通常由多級放大電路組成,能夠對輸入信號進行放大、運算等處理。


芝識課堂——運算放大器(一),電路設計圖中給力的“三角形”


在電路中,運算放大器的符號是一個三角形。圖1中的運算放大器有五個端子:1)同相輸入;2)反相輸入;3)輸出;4)正電源;及5)負電源。這里“反相”和“同相”表示相對于輸出的極性。


施加于同相輸入端的電壓相對于反相輸入電位放大了AV倍。輸出端與同相輸入端具有相同的相位。施加于反相輸入端的電壓相對于同相輸入電位也放大了AV倍。輸出端與反相輸入端具有相反的相位。

輸出端提供的電壓等于反相輸入端與同相輸入端之間的電壓差乘以AV。當反相輸入端與同相輸入端具有相同電壓和相位時,輸出電壓變為零。當反相輸入端與同相輸入端具有相同電壓但相位相反時,輸出端與同相輸入端同相,所得到的電壓等于二者的電壓差乘以AV后的兩倍。


運算放大器用途非常廣泛。例如,東芝I/O全系列運算放大器TC75S102因為具有超低電流消耗的特點,最適合物聯網設備的長期運行場景。再比如東芝的低噪聲運算放大器TC75S67TU,將其和高性能傳感器元件配合使用,可以實現高靈敏度、高精度的傳感性能,對微弱的有用信號進行有效放大。


運算放大器內部的運行“周天”


圖2顯示了運算放大器的簡化等效電路,其由多個MOSFET組成。為使CMOS運算放大器正常工作,這些MOSFET必須在飽和區工作。圖3顯示了MOSFET的飽和區。


MOSFET在該區域內的工作方式如下:1,隨著柵極-源極電壓的升高,漏極電流增大;2隨著漏極-源極電壓的升高,漏極電流略微增大。漏極電流的細微變化會引起漏極-源極電壓的顯著變化。


芝識課堂——運算放大器(一),電路設計圖中給力的“三角形”


芝識課堂——運算放大器(一),電路設計圖中給力的“三角形”


運算放大器各部分的功能如下:

● 差分輸入對:放大VIN(+)輸入端與VIN(-)輸入端之間的電壓差

● 電流鏡:為構成差分輸入對的Qp1和Qp2提供等量電流。電流鏡用作差分輸入對的負載電阻。電流鏡的輸出端(即差分輸入對的漏極端子)通常具有高阻抗,很難用典型電阻器獲得這么高的阻抗。因此,第一級差分放大器具有高增益。這種由晶體管構成的電阻負載稱為有源負載。

● 電流源:確定流向差分輸入對和共源放大器的電流量。電流源用作共源放大器的有源負載。

● 共源放大器:為連接至輸出端的外部負載提供驅動電流,并補償第一段差分放大器的增益。


我們來看下帶有恒流源(Qp3)的電路(圖2)。假設施加于VIN(-)和VIN(-)的輸入電壓升高了ΔV,增至(VDD–VIN+ΔV)。由于此電路有一個電流源,故流入差分輸入對的電流保持不變。因此,Qn1的漏源電壓(VDS_n3)保持不變。同理,VDS_n2保持不變。因此,對于共模輸入電壓,輸出電壓均保持恒定。(Qp3的VSD_p3補償ΔV。由于電流源的源漏電壓發生變化,故流向差分輸入對的電流也會相應變化。由于電流源的漏源電壓發生變化,故漏極電流(ID)也相應變化。但ID僅隨VDS略微變化。故ID無顯著變化。)當共模輸入電壓施加于VIN(+)和VIN(-)時,電流源的作用就是保持輸出電壓恒定。


芝識課堂——運算放大器(一),電路設計圖中給力的“三角形”


讓我們再來看下對VIN(+)和VIN(-)施加不同電壓的情況(圖4)。Qn2的漏極電壓(VD_n2)從初始電壓開始升高。增加的VD_n2被轉移至后續的共源放大器。共源放大器的VGS_n3升高,導致ID_n3增大。但ID_n3的增大受到電流源的Qp4的限制。由于VGS_n3的升高不會導致ID_n3增大,故Qn3的漏源電壓(VDS_n3)降低。這意味著當VIN(-)電壓升高時,VOUT電壓會降低。


本篇我們了解了運算放大器的基本定義和內部工作原理,下篇我們將分享運算放大器在系統設計中的正確“打開方式”。

文章來源:東芝半導體


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