前面我们所讨论的电路都是由电阻器、二极管、三极管等分离元件组成的,而集成电路(IC)本身就是一个完整的电路,IC含有非常小的“硅芯片”,其中集中了大量的元件,每个硅芯片装在一个塑料壳中,并与壳边的针脚相连接。运算放大器是一种非常有用的集成电路,种类繁多,广泛应用于诸多行业当中。
741运算放大器,是微电子工业发展历史上独一无二的象征,历经了数十年的演变仍然没有被取代。直到今天,它仍然是各大学电子工程系中用来解释运放原理的典型教学案例。741运算放大器是一种特别适合通用技术项目的集成电路。图1是741运算放大器的结构图,所有的集成电路也都与此相仿,外形上只是针脚的对数不同。
运算放大器的芯片含有一个复杂的电路,既看不到它,坏了以后也不能修理它,所以我们只需理解它可以做什么,而不必深究它是如何工作的。
上一期我们讨论的三极管也有放大作用,但它放大的是电流增益,是将基极电流放大为集电极电流。而运算放大器是将电压放大,是电压增益。
放大器的标准符号是一个三角形,它有一个输入和一个输出,如图2所示。假如放大器的增益为10,输入电压为+0.5V,那么在输出端我们可以得到+5V的输出电压。
与图2所示的放大器不同,运算放大器有两个输入,它们被称为倒相输入和同相输入,如图3所示。运算放大器利用这两个输入,以一种特殊的方式放大两个输入电压的差。
比如增益为10的运算放大器,其同相输入为+0.5V,倒相输入为+0.1V。运算放大器就会将0.5-0.1=0.4(V)的同相和倒相输入电压差放大为(+0.4)×10=+4(V)输出。
但假如电压反过来,同相输入为+0.1V,倒相输入为+0.5V,运算放大器就会将0.1-0.5=-0.4(V)的电压差放大为-4V输出。所以,对倒相输入施加大电压的效果是使输出反相。
当然,上面所假设的运算放大器增益为10,只是为了解释方便,实际的运算放大器的增益可以超过10万。
下面我们通过一个实验电路来了解741运算放大器的使用。
图4是741运算放大器的八个针脚及相应功能,2、3分别为倒、同相输入脚,6为输出脚,4、7分别为提供电源的正极和负极接入脚,1、5为调零脚,8是空脚。注意图5的实验电路中,运算放大器的这五个脚已经标出,输出电压通过一个电阻给两个反向并联的发光二极管D1、D2供电以检验其输出电压。再者,两组电池的连接方法很特殊,两组电源之间为公共端口0V。左边的三个电阻器形成分压,两个接点分别为+6V和+3V。
若通过“架空连线”将同相输入接到+6V接点上,倒相输入接到+3V上,两输入电压的差为+3V将被放大为+30万V,但由于提供电源的电池电压只有9V,所以输出电压只能为+9V。此状态下提供电流的是上面那一组的电池,电路中的电流路线如图5中的虚线所示,D1正向导通发光,而D2则被加以反向电压不发光。
如果将2脚接到+6V上,3脚接到+3V上,电压差为-3V,那么输出电压为-9V,提供电流的电池就是下面的那一组电池了,二极管D1将反向不发光,D2发光。
由于运算放大器的增益非常大,所以输出电压总是接近正的供电电压或负的供电电压。
下面介绍一个有用的放大器电路——光控开关电路。
图6所示电路可以用来作为一个非常灵敏的“光控开关”。工作原理如下:
当图中左下方的光敏电阻被光线照到时,电阻很低,它两端的电压也很小。而倒相输入的2脚电压约为+0.9V,3脚的同相电压小于+0.9V,输入电压差为负值,输出电压也是负,三极管不导通,继电器将掉电。然而。当光敏电阻处于阴影中时,电阻上升,它两端的电压也随之升高。假如3脚的电压高于2脚的,输入电压差为正值,则输出也为正值,三极管接通,继电器通电。被控电路将随着光照的变化而改变,从而实现自动控制。
电路中的VR1为变阻器,通过对变阻器的调节,可使电路在某个特定的光强度工作。这个光控电路可用于路灯自动控制,或红外自动门控制。
发挥你的想象力,再查阅一下相关的资料,你可以让741运算放大器来为我们做更多的事情。
最后考考你:仔细分析图7所示的741运算放大器电路,你能判断输出电压U2与输入电压U1的关系吗?这个电路看起来有些怪怪的,但却完全可行。
告诉你答案:该放大器的增益为1,也就是说输出电压与输入电压相等。你知道为什么吗?
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