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什麼是運算放大器? 運算放大器・比較器是什麼?

 

什麼是運算放大器?

運算放大器(OperationalAmplifier)有高輸入電阻、低輸出電阻與高開放增益(開電路增益),可將+輸入端子與-輸入端子間的差電壓放大的差分放大器。
每個電路由正電源端、負電源端、+輸入端子、-輸入端子與輸出端的5個端子組成。

※通常端子的名稱除了電源、輸入、輸出以外並沒有統一。

運算放大器・比較器的符號

運算放大器・比較器的符號

運算放大器的電源端子名稱例

運算放大器的電源端子名稱例

有運算放大器所需求的功能,高輸入電阻(阻抗)與低輸出電阻。
下圖【電壓控制電壓源放大器的模型】中,輸入電壓與輸出電壓的關係如下面公式。

電壓控制電壓源放大器的模型

電壓控制電壓源放大器的模型

公式

訊號電壓Vsは為訊號源電阻Rs與運算放大器的輸入電阻Ri造成的電阻分割,被分壓而衰減的訊號輸入到運算放大器。
但是,Ri比Rs大很多時(Ri=∞),算式的第1項接近於1, 可以視為Vs=Vi
接著第2項中,放大後的輸入電壓AvVi因運算放大器的輸出電阻Ro與負載電阻RL而被分壓輸出。
當Ro比RL小很多時(Ro=0),第2項會接近於1,訊號輸出不會衰減。
這樣的運算放大器稱為理想運算放大器。
一般希望運算放大器是高輸入電阻與低輸出電阻,電路設計也盡量接近理想運算放大器。

理想的輸入電阻與輸出電阻

運算放大器是將+輸入端子與-輸入端子間的微小差電壓放大後輸出。
故希望運算放大器有高的放大率。
可以用【電壓隨耦器電路】來進行說明。
電壓隨耦器電路是輸入電壓與輸出電壓相同的電路,主要作為電壓緩衝器使用,有高輸入電阻與低輸出電阻特性的電路,輸入電壓Vs與VOUT相等。

電壓隨耦器電路

運算放大器是將端子間的差電壓用運算放大器的放大率來放大,故輸出電壓算式如下。

公式

運算放大器的開電路增益Av非常大時,左邊算式會接近於0,變成Vs=VOUT
增益低時,左邊算式無法接近於0,輸出電壓會產生誤差。
希望運算放大器有高開電路增益,因為可以由此增益使輸出電壓誤差盡可能縮小。
從另個觀點來看開電路增益大,意味著+輸入端子與-輸入端子的電位差盡可能縮小。即開電路增益越大VIN+=VIN-的關係會成立。這樣+輸入端子與輸入端子的電位幾乎一致的關係,也稱為虛擬短路、假想短路或虛擬接地。
組成負回授電路使用時,是建立在這種關係上,利用虛擬接地特性來設計應用電路。

什麼是比較器?

比較器(Voltage Comparator)的端子結構與運算放大器相同,由 +輸入端子、-輸入端子、正電源端、負電源端與輸出端的5個端子所組成的。將某一方的輸入端子作為基準端子固定電壓,這個基準電壓與另一方的端子所輸入的電壓之差放大,可以輸出高或是低的電路。

當+輸入端子的電位 > -輸入端子的電位,高輸出
當-輸入端子的電位 > +輸入端子的電位,低輸出

運算放大器與比較器最大的不同在於有無相位補償電容。
運算放大器使用負回授電路,IC內部必須有防止震動用的相位補償電容。
另一方面,比較器並非由負回授電路所構成,沒有內建相位補償電容。
相位補償電容有限制輸入-輸出間的反應時間,沒有相位補償電容的比較器,比運算放大器反應性較優。
另外,若依有無相位補償電容而將運算放大器當作比較器使用,因為相位補償電容限制了反應性,與比較器相比反應性非常差。
將運算放大器當作比較器使用時,必須要注意。

[PDF]運算放大器・比較器的基礎

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