運算放大器的原理 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

普通用途 741

　　運算放大器的種類極多,其中有名為709和741的,而雖然這兩種"有名"的運算放大器是受一般用家們所熟悉,但往往因製造廠家的不同而出現稍有差別的編號,正如LM709和LM741、uA709和uA741,又或者SN72709和SN72741等,這些分別在常用者來說是很明白的。這741和709被喻為運算放大器的代表,原因是它們都比較容易入手和使用。表一是709C和741C的特性。709和741之後的C字母是作為某方面的分類,除此C字外更有A和CH、E等等,於此我們不作深入探討,最常用的可算是709C和741C了。

　　709和741的外型亦分有帽型(Cap Type)和DIL型兩種,其中Cap型多作一般的實驗上,而希望使用插座時便使用DIL型比較方便。

　　圖(1)是709和741的Cap型插腳圖,看圖中似乎741是比較簡單一點(心裡作用),比較表一,709C和741C的性能有點相似,但相位補償和輸出輸入保護是內藏於741C,而709則沒有,所以必須於外部連接,在圖(1)中亦可看出它們的不同之處。

　　但是在表一中所表示的性能特性上,具有相位補償的741頻道寬是比較窄,從另外一個角度來看,709可以說是運算放大器中最便宜的一種,而741次之。根據以上多方面總結後可以得出一個結論,如果在普通用途上,而希望接附加零件少的,可以使用線路簡單的741。

運算放大器的本體

　　圖(1)中,有V+、V-端,這是連接電源的部份,正如大家所知悉的運算放大器基本上是需要正和負兩種電源,這可能是已經為眾人所熟悉的了,還是看其他的接線端;圖(1)中還有反相輸入和非反相輸入兩個輸入端,圖(2)以741C為骨幹的線路圖,這與普通放大器有所不同的地方就是運算放大器的輸入或輸出可以自由採用由正至負的直流工作。

而且運算放大器同時可以應用於直流或交流訊號兩者中,從表一中亦會看到它具有的頻率特性。還有在表一中更可以看到,單是從運算放大器本身來說,它是具有數萬倍的放大能力,是一種高增益的放大器。

　　圖(3)是在沒有回輸時電壓增益(Open Loop Gain)的頻率特性,由此可見,在沒有回輸時,頻率特性的平坦部份是有數KHz。

　　實際上運算放大器是極少應用於沒有回輸的情況下,通常加上很深的回輸。在工作的穩定度來說,電壓增益1000倍左右(10³倍)已算是達極限,如果希望更穩定地工作,電壓增益考慮於100-200倍止,比較安全。

　　從圖(2)的輸入輸出極性的觀係可以列出表二,反相輸入時正如它的名稱一樣,輸入和輸出的極性相反,非反相輸入時沒有改變。在輸入端加入正或負時,輸出怎樣相信大家都心中有數了,但是如輸入端是零電位又會怎樣呢?

　　這種情況下,當然輸出亦應該是零電位,但實際也有不是零電位的,所以在輸入是零電位時,輸出電位亦需要調整至零,此時便應該利用如圖(1)中741C的Offset調節端。

　　實際使用時,Offset調節電路如圖(4),採用VR作調整用。電源電壓端和輸入輸出端已在圖中清楚地繪出了,至於表一所示的輸入或輸出的正與負是以G(Ground)端作標準。

倒相放大器

　　圖(4)使用了運算放大器的反相輸入端作為倒相放大器,這是運算放大器的基本使用方法。

　　圖(5)是使用741C的倒相放大器電路圖,此電路的電壓增益Av由R1和R2的比來決定,由圖(5)的數值來計算,可得

　　R3是為了運算放大器的Offset(例如當輸入是零電位時,輸出的電位調整)或特性漂移(時間或溫度所影響的輸出變動)控制用......,換句話說,就是起穩定運算放大器的動作特性作用,而R3的數值約是R1和R2並聯後的數值。

　　在Offset調節的VR方面,如果電壓增益約是10倍左右,輸出的補償(Offset)約是數十mV以下時,不作補償也不會有大的影響。但是在電壓增益超過100倍時,如果不作補償,當輸入是零電位,輸出可能達1V或以上的電壓會產生,所以必須加入補償調整的VR。

　　倒相放大器如果希望得到正確的設計電壓增益,R1和R2電阻的精確度變需要很高。又R1實際如圖(6)所示包括了電源的內部電阻Rr,如果R1的數值不是大於Rr的值很多令Rr可以忽略時,Av便如圖所示,是會少了一點。

　　實際的具體例子,如果對R1的值來說,Rr是它的10%(在(圖5)則是100Ω),電壓增益亦會少了約10%左右。

　　倒相放大器亦有希望能改變電壓增益的情況,此時可以如圖(7)所示,這個線路實際與圖(5)的電壓增益一樣都是選取約100倍。

　　在選取R1和R2的方法而言,Av在10以下時R2取10KΩ,又Av在10以上時R2取100KΩ,再以R1來決定便可。

　　倒相放大器的特徵是輸入和輸出的極性相反,輸入阻抗低等特點,而放大器的輸入阻抗在圖(5)來說是最近於R1。

非倒相放大器

　　運算放大器可以如圖(4)中,使用非倒相輸入作為放大器,這種放大器一般被稱為非倒相放大器。

圖(8)是使用741C接成的非反向放大器電路圖,這線路的電壓增益Av由R1和(R1+R2)的比決定,在圖(8)時

　　如需要得到任意電壓增益的非反相放大器時,只要預先決定R1或R2任何一方的值,再求取另外一方則可。普通電壓增益在數十倍以內時R1約選取1KΩ,100倍以上時選取100Ω左右。

　　R3與倒相放大器時的作用和計算方法一樣,這個數值與電壓增益是沒有關係的。為了減少補償和漂移等現象,與倒相放大器的數值幾乎是可以選取同樣的。

　　倒相放大器如圖(6)所示電源內部阻抗是與電壓增益存在著一定關係,而非倒相放大器中,R1的值與電源內部電阻無任何關係,所以不會對電壓增益起影響,故此,在非倒相放大器來說,是比較倒相放大器更容易能得到正確的電壓增益。

　　非倒相放大器的特徵與倒相放大器剛巧相反,輸入與輸出的極性相同和輸入阻抗很高,舉個例子: 圖(8)的非倒相放大器的輸入阻抗約達200-300MΩ的值。

　　如果想對非倒相放大器的電壓增益進行少量的調整,可以接成線路如圖(9)的方法,這處是對Av=100前後進行相加減,在圖(8)中的R1和R2的數值比較難選購到合適的VR值,故此將R1和R2同時取到10倍的數值以求達到目的,結果與圖(7)的倒相放大器相同。

　　圖(10)是Av=1的非倒相放大器,這個非倒相放大器稱為電壓輸出器(Voltage Follower),這電路的特點是輸入阻抗高(達400MΩ),輸出阻抗低(例如1Ω),它的工作特徵是阻抗變換器,通常最適宜用做緩衝放大器(Buffer Amplifier)。

　　電壓輸出器(Voltage Follower)的輸入和輸出的關係如圖(11),輸入和輸出的追蹤誤差極少,幾近0.01%以下的優越性能。

差動放大器

　　使用運算放大器的倒相及非倒相放大2個輸入端,可以接成如圖(12)的差動放大器。

　　因為這電路是差動放大作用,E1和E2的同相部份互相抵消,沒有輸出,究竟這同相部份能抵消多少呢?它的表示方法用同相成份除去比(CMRR)代表,741約是90dB。

　　圖(12)所示的差動增益約是100倍。

　　到目前為止所說明的運算放大器可以利用作很多種用途,下面再介紹幾個常用的使用法給大家參考。

　　圖(13)是利用倒相放大器的輸入阻抗而設計成的I-V)電流-電壓)變換電路。

　　電流-電壓的變換靈敏度由R1的值來決定,例如R1取100KΩ時,對應於0-10uA的電流輸入可得0-10V的電壓輸出。

　　電流輸入可以任何方向性,因為是倒相放大器,所以反向輸入端流入的電流可得到負的輸出電壓,而且輸入阻抗可以看成幾近於零。

　　圖(13)是應用非倒相放大器的特性,非倒相放大器的輸入阻抗是很高,輸出阻抗低,利用這性質作為DVM的輸入電路等,電壓輸出形可以在實際中採用圖(10)的電路。

　　運算放大器亦可以應用於交流電路中,此實不需要使用2個電源,只取單電源非常便利。

　　圖(14)是採用運算放大器社既成的有源濾波(Active Filter),截斷頻率約是500Hz的低通濾波器(Low Pass Filter)這電路使用單一電源,此時非倒相輸入端是接成電源電壓的一半作為偏壓。

　　此外,運算放大器還可以作為比較器(Comparator),施密特觸發器(Trigger),自激多諧振盪器(Astatic Multivibrator),單觸發多諧振盪器(One Shot Multivibrator)等多種用途,當然這些作用亦可以用作其他手法來實現(例如數字集成電路Digital IC)。

　　而較難利用其他方法達到同樣效果的有理想二極管或絕對值電路,對數變換電路等。