常见的运放电路

文章作者:Bob Witte

运算放大器(通常称为运算放大器)是设计电子电路中普遍存在的组成部分。如今，这些器件被制成小型集成电路，但这个概念在很久以前就开始使用真空管了。1946年有一项运算放大器概念早期使用的专利(参考文献1)，尽管那个名称当时没有使用。拉格加津尼经常被认为是在1947年创造了术语“运算放大器”(参考文献2)。

我是在20世纪上模拟计算的大学实验室课程时遇到运算放大器的。模拟电路通过复杂的贴片连接求和放大器、微分器和积分器来模拟系统。模拟计算的使用正在被数字计算机取代，所以我不能说我从这门课的计算部分学到很多。不过，我确实学到了很多有关运放电路和控制系统的知识，这些知识在今天仍然很有价值。

理想的运算放大器
为了理解运放的基本功能，我们使用“理想运放”的概念图1，具有以下属性:

1. 无限增益(_v)和无限带宽
2. 零输出阻抗
3. 无限输入阻抗(零输入电流)

图1理想的运算放大器是具有无限输入阻抗和零输出阻抗的电压控制电压源。

第四个重要的属性通常包括在内，但只有当有负反馈应用到运放时才有效:

4. 两个输入之间的电压为零

如果你想知道这个运放是如何获得它的功率的，这个设备有两个电源连接(正极和负极)，这在讨论电路设计时经常被忽略(但在连接一个真正的电路时是绝对必要的)。通常，提供双极电源，+/-15V，支持正常的信号摆动。

运放最酷的一点是，对于许多非关键应用，运放的性能(增益、带宽、阻抗等)与电路要求相比是如此之好，以至于它们确实像理想的运放。它们易于设计，已成为电子系统的基本组成部分。

非反相放大器
我们要看的第一个常见运算放大器配置是非反相放大器(图2）.我总是想知道为什么我们不叫它“常规放大器”配置或者干脆叫它“放大器”。

图2非反相放大器使用两个电阻向运算放大器提供负反馈。

在这个配置中，我们看到我们有从输出到逆变输入的反馈。这个负反馈意味着属性#4被调用，并且两个输入之间的电压始终为零(即，它们处于相同的电压)。因为没有电流可以流入输入端，所以在非反相输入端的电压由R组成的分压器决定₁和R₂．

重新排列以获得放大器的增益，

请注意，电路的电压增益与运放的增益无关。我们假设运放的增益为真正的大，则足够的反馈将应用于非反相输入，以产生所需的函数。

让我们检查一下关于两个运放输入之间电压为零的假设。假设非反相输入比反相输入高几毫伏。运放的巨大电压增益会导致输出增加，通过电阻分压器反馈到反相输入。在反相输入端的电压增加将导致运放输出降低，直到两个输入端的电压相等。因此，运算放大器加上负反馈的高增益使输入电压保持不变。

缓冲放大器
非反相放大器的一个特殊情况是缓冲放大器(也称为单位增益放大器或电压跟随器)，其电压增益为1 (图3）.这等价于R₂零和R₁在非反相放大器配置中无穷大。同样，负反馈的作用使得运放输入之间的电压为零。这是一个很好的缓冲放大器，输入阻抗为无限，输出阻抗为零。理想情况下,至少。

图3缓冲放大器提供无限输入阻抗和零输出阻抗。

反相放大器
另一种常见的运放电路是反相放大器(图4）.顾名思义，输出电压以相反极性作为输入放大。

图4反相放大器产生负的输入值，按两个电阻的比例缩放。

分析这个电路时注意到运放的两个输入端都是0V。非反相输入连接到地，反相输入将通过电阻反馈驱动到相同的电压。我们还注意到电流(我）流过两个电阻，因为没有电流进入运算放大器的反相输入。

重新排列以获得放大器的增益，

增益中的负号是重要的，在应用该电路时必须加以考虑。在某些情况下，这可能没有关系，你可能只需要放大输入信号而不考虑极性的变化。在其他情况下，极性可能是关键的，你的信号可能最终是颠倒的。

差分放大器
反相放大器和非反相放大器可以组合成一个差分放大器(也称为差分放大器)，如图所示图5．

图5差分放大器产生的输出电压是两个输入端的差值。

通过叠加，我们可以将反相放大器和非反相放大器的增益方程结合起来。

用v₁v的_在时，逆变增益保持不变:

v₂输入端有一个附加的分压器，由R_3.和R₄，则增益方程为:

结合这两个方程，得到:

如果我们设R₁= R_3.和R₂= R₄时，方程简化为:

我们假设我们有理想的运放，但是我们没有说任何关于电阻的事情。这些电路的增益将取决于电阻的实际值和它们的容限。这对于差分放大器来说尤其如此，因为我们依赖匹配的电阻值。

这些常见的运放电路可用于放大各种模拟信号。理想运放模型帮助我们理解这些电路是如何工作的。有关运放电路的更详细信息，请参阅下面参考文献3和4中的优秀材料。

- Bob Witte是Signal Blue LLC的总裁，这是一家技术咨询公司。