嵌入式硬件重点(四)常用信号处理、放大电路、运算放大器(运放)基础篇

引言:在嵌入式硬件设计中,信号处理和放大电路是至关重要的组成部分。它们不仅影响系统的性能,还直接关系到数据的准确性和可靠性。随着嵌入式系统的广泛应用,对各种传感器和外部设备的信号进行有效处理显得尤为重要。

运算放大器(运放)作为一种重要的模拟电路元件,在信号放大和处理过程中发挥着重要作用。运放可以实现多种功能,包括加法、减法、积分、微分等,通过适当的配置可以设计出各种应用电路,如下图为实物图,先作为引子,留个印象。

目录

运放的理论知识

运算放大器的传输特性

运算放大器的优点

运放的原理

运放的理论知识

下图为运算放大器的符号,主体为一个三角形,有五个引脚,下述对引脚进行阐述。

  • 非反相输入端(+)

    • 该引脚用于输入信号,输入信号经过运放后保持相位不变。
    • 适用于增益为正的放大电路。
  • 反相输入端(-)

    • 该引脚同样用于输入信号,但输入信号经过运放后会反相。
    • 适用于增益为负的放大电路,常用于差分放大等应用。
  • 输出端(Out)

    • 运放的输出信号从此引脚输出,输出电压取决于输入信号和电路配置。
    • 该端口可以驱动负载。
  • 电源引脚(V+ 和 V-)

    • 运放通常需要正负电源供电,V+为正电源引脚,V-为负电源引脚。某些单电源运放仅有V+引脚。
    • 确保运放工作在适当的电源电压范围内,以保证其性能。

下图为运放相关手册的结构图。

运算放大器(运放)和三极管(BJT、FET等)都是用于信号放大的重要组件,但它们在结构、工作原理和应用方面存在显著的区别。以下是两者的比较。

此为运放电路的结构图:

此为三极管放大电路:

  1. 基本结构
  • 运放
    • 运放通常由多个晶体管、二极管和电阻构成的集成电路。它具有多个引脚(如非反相输入、反相输入、输出、正负电源等)。
  • 三极管
    • 三极管是一种单一的半导体元件,主要有三根引脚(发射极、基极、集电极)。它可以是NPN或PNP类型。
  1. 工作原理
  • 运放

    • 运放基于差动放大原理,输出电压为两个输入端电压之差的放大。运放可以通过外部反馈电路配置来控制增益和频率响应。
  • 三极管

    • 三极管通过基极电流控制集电极与发射极之间的电流。其工作主要依赖于电流放大原理。
  1. 增益特性
  • 运放

    • 运放具有非常高的开环增益(通常为10^5到10^6),但通过负反馈可以稳定增益并提高线性度。
  • 三极管

    • 三极管的增益(β或hFE)相对较低,通常在20到1000之间,且对温度和其他因素敏感。
  1. 输入和输出阻抗
  • 运放

    • 运放具有高输入阻抗和低输出阻抗,适合用于信号源的连接。
  • 三极管

    • 三极管的输入阻抗通常较低(尤其是BJT),输出阻抗较高,可能需要使用阻抗匹配电路。
  1. 电源需求
  • 运放

    • 运放通常需要双电源(正负电源),但有些类型支持单电源供电。
  • 三极管

    • 三极管一般只需要一个电源供电,适用性更广。

运算放大器的传输特性

当我们了解完引脚功能之后,接下来对运放的特性图进行掌握。

上述参数引脚已经一一对应上了,A 即为运放的放大倍率,它是运放的一个固有参数,这个参数我们先不用去考虑,接下来的篇幅也会对其开展。只需要知道一般来说A非常大,可以达到几十万,因此,相关特性图的函数图也会非常 "陡峭" Up跟Un相差几十微伏或者更小时,才会进入这个区间。

下述图示部分就开始对传输特性进行演示以及模拟了,运放比较器。

运放比较器的工作原理基于其高增益特性。当两个输入电压(非反相输入和反相输入)被施加到运放的输入端时,运放会根据这两个电压的大小关系产生输出信号:

  • 当 V+ > V-(非反相输入电压大于反相输入电压)时,输出接近正电源电压(Vout ≈ V+)。
  • 当 V+ < V-(非反相输入电压小于反相输入电压)时,输出接近负电源电压或接地(Vout ≈ V-)。

这种特性使得运放可以用于实现开关行为。

Un 从 0V 上升到 5V 的过程中,输出电压波形如下所示。

当 Un 位于正弦波的下方时,Up > Un,输出 高电平。

当 Un 位于正弦波的中间时,输出 高电平。

当 Un 位于正弦波的上方时,输出 低电平。

综上,我们用的只是非线性区,对于中间的线性区域才是最重要的,后文笔者会对此放大器进行详细的梳理。

运算放大器的优点

1、高增益:放大倍数为几千到几十万!Au = 10000+

2、线性度好:三极管放大电路会出现非线性失真,运放不会

3、输入阻抗(Ri)高(无穷),输出阻抗(Ro)低(几欧姆)

4、使用方便,电路结构简单,可控性好。

下图为原理图中的结构。

运放的原理

将同相端与反相端的电压差值放大Au倍

由运放的放大曲线知: 如果U+ - U- 超过了一定的值, 运放的输出电压就不会随着输入电压的差值增大而增大, 会变为水平,进入饱和区。 饱和电压为运放的供电电压。 如何才能正常的放大实际信号呢?显然, 第一个条件是运放必须工作在线性区, 第二个条件:运放必须引入反馈,工作在闭环状态。

u+ 为同相输入端,u- 为反相输入端,uo为输出端

三者满足以下关系: Uo = Au*(U+ - U-)

前面说过,Au为放大倍数,一般为几万到几十万!

现假设如下:

U+ = 0.002mV,U- = 0.001mV,Au = 100万 = 10^6 那么Uo = 10^6*(0.002 -- 0.001) = 1 V

开环:不接反馈电阻Rf 闭环:输出端经过反馈电阻接到反相输入端

饱和电压为运放的供电电压。根据这个性质, 运放在开环状态可以当作电压比较器使用

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