运算放大器 —— 快速复苏笔记[2](应用文章)
阅读前请参考专栏前一篇文章,了解一些基础知识。资源获取
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前置知识
基尔霍夫定律
也叫KCL。也就是说,电路中任何节点上流入的电流等于流出的电流,即节点上的电流代数为0。
简单来说,你可以直接画一个圆。对于这个圆,这个圆是一个节点,进出圆的电流合成0。
齐纳二极管/稳压二极管/Zener diode
基本保持不变。手册中经常说这个电压Nominal Zener Voltage,标称稳压值。这样,当稳压管接入电路时,如果电源电压波动或其他原因导致电路中各点电压变化,负载两端的电压基本保持不变。
当反向电压低于反向击穿电压时,反向电阻大,反向泄漏电流小。然而,当反向电压接近反向电压的临界值时,反向电流突然增加,称为击穿。在这个临界击穿点,反向电阻突然降低到非常小的值。虽然电流变化很大,但二极管两端的电压基本稳定在击穿电压附近,从而实现了二极管的稳压功能。其原理的关键在于,当电阻过低时,即使加上不同的电压,流过的电流也不会使两端的电压变化很大,从而达到稳压的效果。
主要参数
稳定电压(Uz)
指稳压二极管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。该值随工作电流和温度同而略有变化。由于制造工艺的不同,同一型号稳压二极管的稳压值不完全一致。例如,2CW51型稳压二极管Vzmin为3.0V, Vzmax则为3.6V。
额定电流(Iz)
指稳压二极管产生稳定电压时通过该管的电流值。当低于此值时,虽然稳压二极管不是不稳定的,但稳压效果会变差;当高于此值时,只要不超过额定功率损耗,也允许稳压性能更好,但需要消耗更多的电能。
动态电阻(Rz)
指稳压二极管两端电压变化与电流变化的比值。比值随工作电流而变化。一般来说,工作电流越大,动态电阻越小。例如,2CW7C稳压二极管的工作电流为 5mA时,Rz为18Ω;工作电流为1OmA时,Rz为8Ω;为20mA时,Rz为2Ω ; > 20mA这个值基本维持。
额定功耗(Pz)
由芯片允许芯片允许的温升决定Vz允许最大电流Izm比如2CW51稳压二极管Vz为3V,Izm为20mA,则该管的Pz为60mWo。
反向漏电流(IR)
指稳压二极管在规定的反向电压下产生的漏电流。例如,2CW58稳压二极管VR=1V时,IR=O.1uA;在VR=6V时,IR=10uA。
操作放大器应用
前提:
- 虚短:
V i n = V i n ? Vin_ = Vin_- Vin =Vin?
- 虚断:
I i n + = I i n − = 0 Iin_+ = Iin_- = 0 Iin+=Iin−=0
应用1
反相比例运算电路
这里我们先把电路放上来,在看这一篇之前请先去看参数篇,运放的基础知识。详见专栏:
V1是放大器电源输出为+5V的DC电压。
V2是虚拟地电压,用来模拟没有直接接地的情况。这里提供的是一个2V的DC电压
V3是正弦波,其参数如下:
反向放大推导:
虚短: V + = V − = V G N D V G N D 为 V − 和 V + 的值 V_+ = V_- = V_{GND}\\ V_{GND}为V-和V+的值 V+=V−=VGNDVGND为V−和V+的值 虚断:以反相输入端为节点分析。 V i n − V G N D R 2 = V G N D − V o u t R 3 K C L 方法推导电流相等、方向相反,以 V G N D 到 V o u t 为正方向。 \frac{V_{in} - V_{GND}}{R_2}= \frac{V_{GND} - V_{out}}{R3}\\ KCL方法推导电流相等、方向相反,以V_{GND}到V_{out}为正方向。 R2Vin−VGND=R3VGND−VoutKCL方法推导电流相等、方向相反,以VGND到Vout为正方向。
化简得: V o u t = V G N D ( 1 + R 3 R 2 ) − V i n R 3 R 2 V_{out} = V_{GND}(1+\frac{R_3}{R_2}) - V_{in}\frac{R_3}{R_2} Vout=VGND(1+R2R3)−VinR2R3 我们试一试推导带入,上文情况下,Vout的输出结果是怎么样的: V o u t = V G N D ( 1 + R 3 R 2 ) − V i n R 3 R 2 = 2 ∗ ( 1 + 1.5 ) − V i n ∗ 1.5 其中 V i n = [ 0 , 2 ] ,且为 sin x 波形 结果如下: V o u t = [ 2 , 5 ] V_{out} = V_{GND}(1+\frac{R_3}{R_2}) - V_{in}\frac{R_3}{R_2}=2*(1+1.5) - V_{in}*1.5\\ 其中V_{in}=[0,2],且为\sin{x}波形\\ 结果如下:V_{out}=[2,5] Vout=VGND(1+R2R3)−VinR2R3=2∗(1+1.5)−Vin∗1.5其中Vin=[0,2],且为sinx波形结果如下:Vout=[2,5] 仿真的结果如下:
反向放大的特殊情况
可以看到下图中我们放大器的输入+接的是GND,这是一种特殊情况,对应的输入+接的是GND就是电压为0,我们再用上文的分析方法试一试:
同样满足如下条件:
虚短: V + = V − = V G N D = G N D A = 0 V G N D 为 V − 和 V + 的值 V_+ = V_- = V_{GND} = GNDA =0\\ V_{GND}为V-和V+的值 V+=V−=VGND=GNDA=0VGND为V−和V+的值 虚断: V i n − V G N D R 2 = V G N D − V o u t R 3 K C L 方法推导电流相等、方向相反,以 V G N D 到 V o u t 为正方向。 \frac{V_{in} - V_{GND}}{R_2}= \frac{V_{GND} - V_{out}}{R3}\\ KCL方法推导电流相等、方向相反,以V_{GND}到V_{out}为正方向。 R2Vin−VGND=R3VGND−VoutKCL方法推导电流相等、方向相反,以VGND到Vout为正方向。
化简得: V o u t = − V i n R 3 R 2 V_{out} = -V_{in}\frac{R_3}{R_2} Vout=−VinR2R3 我们仿真一下,修改电路如下:
对比上文的仿真,少了参考电压DC2V。
输出结果会是什么呢?
为什么V_out没有波形呢?这里提示一下是放大器电源的问题,因为放大器此时没有负电压,我们再来修改一下,为放大器添加一个负电源:
因为AD8606的电源范围为0-6V,所以正负电源压差也不能超过6V,这里就是±3V。
仿真后效果如下:
存在三种情况:
- R 3 > R 2 R3 > R2 R3>R2 反相放大
- R 3 = R 2 R3 = R2 R3=R2 反相
- R 3 < R 2 R3 < R2 R3<R2 反相缩小波形
电流放大\跨阻放大器
,结构更加简单,下面我先把电路举出来,然后解释一下原理:
下面是电路仿真截图:
我们将反向输入端换成了一个DC电流源,其提供的电流大小为 5 × 1 0 − 6 A 5\times10^{-6}A 5×1