基于理想運(yùn)算放大器的常用運(yùn)算電路設(shè)計(jì)

運(yùn)算放大器(通常稱(chēng)為運(yùn)算放大器)是用于設(shè)計(jì)電子電路的無(wú)處不在的構(gòu)建塊。今天，這些設(shè)備被制造成小型集成電路，但這個(gè)概念很久以前就開(kāi)始使用真空管了。有一項(xiàng) 1946 年早期使用運(yùn)算放大器概念的專(zhuān)利，盡管當(dāng)時(shí)并未使用該名稱(chēng)。Raggazinni 經(jīng)常被認(rèn)為是在 1947 年創(chuàng)造了“運(yùn)算放大器”一詞。

早在 20 世紀(jì)，我在參加模擬計(jì)算的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室課程時(shí)就遇到了運(yùn)算放大器。模擬電路用于通過(guò)復(fù)雜的接線板連接求和放大器、微分器和積分器來(lái)模擬系統(tǒng)。模擬計(jì)算的使用正在逐漸消失，被數(shù)字計(jì)算機(jī)所取代，所以我不能說(shuō)我從課程的計(jì)算部分中學(xué)到了很多。不過(guò)，我確實(shí)學(xué)到了很多關(guān)于運(yùn)算放大器電路和控制系統(tǒng)的知識(shí)，這些在今天仍然很有價(jià)值。

理想運(yùn)算放大器

為了理解運(yùn)算放大器的基本功能，我們使用“理想運(yùn)算放大器”的概念。理想的運(yùn)算放大器是如圖 1所示的壓控電壓源，具有以下屬性：

1. 無(wú)限增益 (A v ) 和無(wú)限帶寬

2. 零輸出阻抗

3. 無(wú)限輸入阻抗(零輸入電流)

圖 1理想的運(yùn)算放大器是具有無(wú)限輸入阻抗和零輸出阻抗的壓控電壓源。

通常包括一個(gè)重要的第四個(gè)屬性，但它僅在對(duì)運(yùn)算放大器施加負(fù)反饋時(shí)才有效：

1. 兩個(gè)輸入之間的零伏

如果您想知道這個(gè)運(yùn)算放大器是如何獲得電源的，那么該器件有兩個(gè)電源連接(正極和負(fù)極)，在討論電路設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常被忽略(但在連接實(shí)際電路時(shí)絕對(duì)必不可少)。通常，提供雙極電源，+/-15V，支持健康的信號(hào)擺動(dòng)。

運(yùn)算放大器很酷的一點(diǎn)是，對(duì)于許多非關(guān)鍵應(yīng)用而言，運(yùn)算放大器的性能(增益、帶寬、阻抗等)與電路要求相比非常好，以至于它們確實(shí)像理想的運(yùn)算放大器一樣。它們易于設(shè)計(jì)，并已成為電子系統(tǒng)的重要組成部分。

同相放大器

我們將看到的第一個(gè)常見(jiàn)運(yùn)算放大器配置是同相放大器(圖 2)。我總是想知道為什么我們不將其稱(chēng)為“常規(guī)放大器”配置，或者只是“放大器”。

圖 2同相放大器使用兩個(gè)電阻器為運(yùn)算放大器提供負(fù)反饋。

在這種配置中，我們看到我們有從輸出返回到反相輸入的反饋。這種負(fù)反饋意味著屬性#4 被調(diào)用，并且兩個(gè)輸入的電壓將始終為零(即，它們處于相同的電壓)。因?yàn)闆](méi)有電流可以流入輸入端，所以出現(xiàn)在同相輸入端的電壓由 R 1和 R 2形成的分壓器決定。

重新排列以獲得放大器的增益，

請(qǐng)注意，電路的電壓增益不取決于運(yùn)算放大器的增益。我們假設(shè)如果運(yùn)算放大器增益真的很大，那么足夠的反饋將應(yīng)用于非反相輸入以產(chǎn)生所需的功能。

讓我們檢查一下關(guān)于兩個(gè)運(yùn)算放大器輸入之間電壓為零的假設(shè)。假設(shè)同相輸入比反相輸入高幾毫伏。運(yùn)算放大器的巨大電壓增益會(huì)導(dǎo)致輸出增加，這將通過(guò)電阻分壓器反饋到反相輸入。反相輸入端電壓升高將導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸出降低，直到兩個(gè)輸入端具有相同的電壓。因此，運(yùn)算放大器的高增益加上負(fù)反饋使輸入電壓保持不變。

緩沖放大器

同相放大器的一個(gè)特例是緩沖放大器(也稱(chēng)為單位增益放大器或電壓跟隨器)，其電壓增益為 1(圖 3)。這相當(dāng)于在非反相放大器配置中使R 2為零和 R 1無(wú)窮大。再次施加負(fù)反饋，使得運(yùn)算放大器輸入之間的電壓為零。這構(gòu)成了一個(gè)良好的緩沖放大器，輸入端具有無(wú)限阻抗，輸出端具有零阻抗。理想情況下，至少。

圖 3緩沖放大器提供無(wú)限輸入阻抗和零輸出阻抗。

反相放大器

另一種常見(jiàn)的運(yùn)算放大器電路是反相放大器(圖 4)。顧名思義，輸出電壓被放大，極性與輸入相反。

圖 4反相放大器產(chǎn)生輸入的負(fù)值，按兩個(gè)電阻的比例縮放。

通過(guò)注意到運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入將處于 0V 來(lái)分析該電路。同相輸入連接到地，反相輸入將通過(guò)電阻反饋驅(qū)動(dòng)到相同的電壓。我們還注意到，電流 ( i ) 流過(guò)兩個(gè)電阻器，因?yàn)闆](méi)有電流進(jìn)入運(yùn)算放大器的反相輸入端。

重新排列以獲得放大器的增益，

增益中的負(fù)號(hào)很重要，在應(yīng)用電路時(shí)必須考慮。在某些情況下，這可能無(wú)關(guān)緊要，您可能只需要放大輸入信號(hào)而不考慮極性變化。在其他情況下，極性可能很關(guān)鍵，您的信號(hào)最終可能會(huì)顛倒。

差分放大器

反相放大器和同相放大器可以組合成一個(gè)差分放大器(也稱(chēng)為差分放大器)，如圖 5所示。

圖 5差分放大器產(chǎn)生的輸出電壓是兩個(gè)輸入之間的差值。

應(yīng)用疊加，我們可以組合反相和同相放大器配置的增益方程。

用v 1代替 v in，反相增益保持不變：

v 2輸入有一個(gè)額外的分壓器，由 R 3和 R 4組成，因此增益方程變?yōu)椋?

結(jié)合這兩個(gè)方程得到：

如果我們?cè)O(shè)置 R 1 = R 3和 R 2 = R 4，則等式簡(jiǎn)化為：

我們假設(shè)我們有理想的運(yùn)算放大器，但我們沒(méi)有說(shuō)任何關(guān)于電阻的事情。這些電路的增益將取決于電阻器的實(shí)際值以及它們的容差。對(duì)于我們依賴(lài)匹配電阻值的差分放大器來(lái)說(shuō)尤其如此。