幾種最基本的運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)

當(dāng)我們?cè)谶M(jìn)行信號(hào)處理的時(shí)候難免會(huì)遇到進(jìn)行將信號(hào)放大的情況，這時(shí)候就得需要我們自己去設(shè)計(jì)搭建電路來設(shè)計(jì)合適的放大電路，我想對(duì)于任何一個(gè)電子愛好者在對(duì)于這種設(shè)計(jì)都會(huì)有種經(jīng)歷，或許還有一些感情摻雜在里面，包含我們?cè)?jīng)奮斗的時(shí)光記憶，今天我就給大家講述幾種最基本的運(yùn)算放大電路：

反向比例運(yùn)算電路

上圖既是我們最基本的反向運(yùn)算比例電路的電路圖，電路圖中的ui是輸入信號(hào)，uo是輸出信號(hào)，在這里輸入信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器的放大從輸出端輸出，在這里我們的放大倍數(shù)可以通過Rf/R1來表示出來，至于R1的大小最好選的稍大一點(diǎn)，大概幾千歐左右的樣子，目的是為了能有更多的信號(hào)輸入進(jìn)來。

這里我們可以舉個(gè)例子，假設(shè)R1大小為10KΩ，Rf的大小為100KΩ，那么輸出信號(hào)就是輸入信號(hào)的十倍，在這里我們完全可以通過改變這兩個(gè)電阻的大小比值來改變放大倍數(shù)。

至于為什么要叫它反相比例電路，不知道大家注意到了沒有，ui實(shí)際上是和運(yùn)放的負(fù)極相連的，而輸出端是正極，所以輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的方向正好相反，因此就稱作反相比例電路。

除了單個(gè)運(yùn)放還有兩極的甚至三級(jí)及以上的運(yùn)放，讀者可自己拓展。

同相比例運(yùn)算電路

除了上述列出的那一種還有一個(gè)與它剛好相反的同相比例運(yùn)算電路，來看下原理圖

同相比例運(yùn)算電路和反相比例運(yùn)算電路有一個(gè)很大的區(qū)別就在輸入端改變了，這里把輸入端放到運(yùn)算正極處了，輸出端沒有變，根據(jù)上一個(gè)電路的介紹在這里我們也很容易就能理解，為什么叫做同相比例運(yùn)算電路，無外乎就是輸入線號(hào)方向和輸出信號(hào)方向相同唄。

但是這里的放大倍數(shù)與上一個(gè)電路的計(jì)算方式會(huì)有不同，這里的放大倍數(shù)計(jì)算公式為1+Rf/R1，我們也可以看出同樣的電阻同相比例運(yùn)算電路比反相比例運(yùn)算電路放大倍數(shù)會(huì)稍微大一點(diǎn)點(diǎn)。

當(dāng)然同相比例運(yùn)算電路也不限于一級(jí)，也有多級(jí)的，電路搭建和第一個(gè)類似。這兩種電路供大家參考，大家在使用的時(shí)候可以擇優(yōu)選擇。

差分放大電路

圖2.3 差分放大電路

圖2.3為差分放大電路，它是圖2.2反相比例放大電路的“變種”。類似與反相比例放大電路的分析方法，可以得到結(jié)論：

當(dāng)R1=R3并且R2=R4時(shí)，得到等式2.5。這就是此電路命名的由來，它可以對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大。

同相放大電路

上文介紹的放大電路會(huì)引起相位翻轉(zhuǎn)180°，圖2.4為同相放大電路，顧名思義，輸出和輸入保持相同的相位。理想的運(yùn)放具有輸入阻抗無窮大，輸出阻抗無窮小的特點(diǎn)，同相放大電路保持了運(yùn)放的這種特性。

圖2.4 同相放大電路

分析圖2.4，應(yīng)用運(yùn)放的“虛短”，可知V2=V1;此外，因?yàn)檫\(yùn)放的“虛斷”，輸出電壓的電流全部流經(jīng)R2和R1，因此V2由R1和R2對(duì)Vout分壓得到。

因此，

調(diào)節(jié)R2可以電路的放大倍數(shù)。

注意，同相放大電路的應(yīng)用場(chǎng)合具有局限性，一般只用于直流電平的放大，不適合用于交流信號(hào)的放大，因?yàn)樗鼤?huì)將交流信號(hào)的直流偏置電壓一并放大，從而使其偏置電位發(fā)生偏移。帶參考電平的反相比例放大電路在信號(hào)放大時(shí)比較有實(shí)用性。

實(shí)際上只是在圖2.3的差分放大器的基礎(chǔ)上加一個(gè)隔直電容C1,具體原理待日后講解有源濾波器時(shí)再分析。

電壓跟隨電路

圖2.5 電壓跟隨電路

圖2.5是運(yùn)放的一種特殊應(yīng)用方式，很容易得到結(jié)論Vout=Vin。輸出電壓跟隨輸入電壓，因此稱之為“電壓跟隨器”。

電壓跟隨電路是圖2.4同相放大電路的衍生產(chǎn)物，是放大倍數(shù)為1的同相放大電路。前文已介紹理想的同相放大電路的輸入阻抗無窮大，輸出阻抗無窮小。

基于此特性，電壓跟隨電路一般用于信號(hào)的隔離。簡(jiǎn)單舉例說明，如圖2.6，由R1和R2產(chǎn)生參考電壓供給下一級(jí)電路使用，因?yàn)橄乱患?jí)電路的等效內(nèi)阻會(huì)影響R1和R2的分壓比，因此參考電壓將會(huì)發(fā)生變化，如果內(nèi)阻不是固定的，則此電路將無法使用。

圖2.6 不可靠的參考電壓電路

比較可靠的設(shè)計(jì)如圖2.7所示：

圖2.7 可靠的參考電壓電路

儀器放大電路

圖2.8 儀器放大電路

圖2.8是典型的儀器放大電路，顧名思義此方法電路使用于小信號(hào)的放大，一般用于傳感器信號(hào)的放大。傳感器的輸出信號(hào)很小，一般只有幾毫伏到幾十毫伏。

電路由兩級(jí)放大電路組成，第一級(jí)由A1,A2組成，同相輸入，輸入阻抗高，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可很好的抑制零點(diǎn)漂移;第二級(jí)由A3組成，良好的共模抑制比，輸入阻抗高，增益在大范圍內(nèi)可調(diào)。

選值要求：R4=R5,R6=R7,R8=R9(保持電路的對(duì)稱性)，R3為可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)電路增益。電路輸入輸出的關(guān)系式如下：

推導(dǎo)過程：

實(shí)際上，儀器放大電路是前文所述的同相放大電路及差分放大電路的綜合體。分析方法可以參考前文的闡述。

(1)、首先分析由A1和A2組成的同相放大電路。

由“虛短”及“虛斷”原則，推導(dǎo)得到：

(2)、進(jìn)一步分析由A3組成的差分放大電路。

由“虛短”及“虛斷”原則，推導(dǎo)得到：

(3)、聯(lián)合等式2.9和2.10得到結(jié)論：

比較器

1)、簡(jiǎn)單的比較器

圖2.9 簡(jiǎn)單的比較器

圖2.9是最簡(jiǎn)單的比較器電路，它利用的原理是“理想的運(yùn)放具有無窮大的增益”。因此，V+與V-之間稍有電壓差，即可引起輸出的翻轉(zhuǎn)。微弱的電壓差經(jīng)運(yùn)放放大引起輸出飽和。

Av為運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)(一般為100dB左右，即十萬倍)。當(dāng)V+大于V-時(shí)，輸出為正飽和(接近VCC，但是無法達(dá)到);當(dāng)V-大于V+時(shí)，輸出為負(fù)飽和(接近-VSS，但是無法達(dá)到)。連接V+至地，構(gòu)成過零比較器，如圖2.10所示。

圖2.10 過零比較器

圖2.10的過零比較器雖然簡(jiǎn)單，但是并不實(shí)用，它的問題在于比較器只有一個(gè)臨界電壓，輸入信號(hào)上的雜波易引起輸出誤操作，如圖2.11所示。

圖2.11，信號(hào)雜波引起的比較器誤操作

2)、遲滯比較器(The hysteresis comparator)

相對(duì)于上文所述的簡(jiǎn)單比較器，比較實(shí)用的是遲滯比較器，如圖2.12所示。

圖2.12，遲滯比較器

相比簡(jiǎn)單比較器，遲滯比較器只是增加了一個(gè)電阻R2。這將引起怎樣的微妙變化呢?

通俗地說，R2在輸入與輸出之間搭起了一座橋梁，輸出的變化可以通過R2傳遞至輸入，然后比較器的閾值將隨輸出的變化而改變，達(dá)到了磁滯的目的。

如果需要定量分析，所有的比較器的原理都是一樣的，利用運(yùn)放的放大倍速為“無窮大”，將V+與V-之間的微弱電壓差進(jìn)行放大，達(dá)到飽和輸出。所以，首先計(jì)算比較器的臨界電壓值(V+)，得到等式2.11。

顯然，R2的作用是將輸出電壓引入臨界電壓。因?yàn)閂out會(huì)有兩種狀態(tài)+Vsat和-Vsat,所以遲滯比較器也將有兩個(gè)臨界電壓(Vth_H及Vth_L)。

表格2.1，遲滯比較器的狀態(tài)表

表格2.1可以很好的解釋遲滯比較器的工作原理，圖2.8是另一種有效的表達(dá)遲滯比較器工作原理的方式。設(shè)計(jì)合適的Vth_H及Vth_L，使(Vth_H-Vth_L)大于雜波幅值，可以有效的避免因?yàn)檩斎胄盘?hào)上的雜波引起的誤操作。

圖2.13，遲滯比較器的狀態(tài)矢量圖

3)、窗口比較器

窗口比較器用于判別輸入電壓是否落在某一個(gè)范圍之內(nèi)，圖2.14是典型的窗口比較器。

其中，URH>URL，D1和D2不能省略，防止兩個(gè)運(yùn)放輸出電平相反時(shí)損壞運(yùn)放。比如，運(yùn)放A1輸出VOH，但是運(yùn)放A2輸出VOL,D1導(dǎo)通，但是D2截止，因此電流不會(huì)從A1流入A2,避免大電流損壞器件。

圖2.14，窗口比較器

窗口比較的工作原理如圖2.15所示。

1)、Uin>URH>URL，A1輸出UOH,A2輸出UOL，D1導(dǎo)通，D2截止，Uout=UOH;

2)、Uin

3)、URL< Uin

圖2.15，窗口比較器的邏輯

審核編輯：湯梓紅