運(yùn)放-3. 基本電路

-----本文簡介-----

主要內(nèi)容包括：

個人公眾號：硬件之路學(xué)習(xí)筆記

①：同相放大電路

②：反向放大電路

③：差分放大電路

④：儀表放大電路

⑤：電壓跟隨器

-----正文-----

一、同相放大電路

圖1 同相放大電路

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同相放大電路的作用是將輸入信號進(jìn)行放大，輸出正負(fù)號與輸入信號相同，其Vout = Vin*（1+R2/R1），下面利用其虛短與虛斷特性（點擊了解），通過分析證明。

可以看出，輸出電壓與輸入電壓的正負(fù)號是相同的，因此叫同相放大電路；其次也可以看出，輸出電壓永遠(yuǎn)是大于等于輸入電壓的，因此同相放大電路只能用來放大不能用來衰減。

同時由此也可以認(rèn)識到，在這樣的閉環(huán)負(fù)反饋條件下工作的運(yùn)放電路，只要改變電阻R1與R2的比值，就可以在一定范圍內(nèi)任意調(diào)整放大倍數(shù)，而如果只讓運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)，那么放大倍數(shù)就由運(yùn)放自身決定，而運(yùn)放自身放大倍數(shù)極大，很難設(shè)計想要的放大電路。

二、反相放大電路

圖2反相放大電路

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反向放大電路的作用是將輸入信號進(jìn)行放大或者衰減，輸出正負(fù)號與輸入信號相反，其Vout = -Vin* R2/R1，下面利用其虛短與虛斷特性（點擊了解），通過分析證明。

可以看出，反相放大電路輸出電壓與輸入電壓正負(fù)號相反，因此稱之為反相放大電路；同時也可以看出只要R1的阻值大于R2，那么反向放大電路也可以用來衰減電壓。

三、差分放大電路

圖3 差分放大電路

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差分放大電路也叫減法電路，因為在一定條件下，輸出電壓等于兩輸入電壓之差。其作用相當(dāng)廣泛，例如電流采樣等，后續(xù)會專門寫文章介紹。這里不再具體分析推導(dǎo)過程，下面說結(jié)論。

可以看出，差分放大電路，通過調(diào)整外圍電阻阻值，既可只進(jìn)行減法運(yùn)算，也可在進(jìn)行減法運(yùn)算的同時對差值進(jìn)行放大或者衰減。

如果將差分放大電路R4的接地端替換為基準(zhǔn)電壓Vref，那么會產(chǎn)生另外一種結(jié)果：輸出電壓將在原有基礎(chǔ)上加上此基準(zhǔn)電壓Vref。這種電路在無負(fù)電源供電的系統(tǒng)中有很大作用，此后文章會介紹。

圖4加入基準(zhǔn)電壓的差分放大電路

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四、儀表放大電路

儀表放大電路是由差分放大電路演變而來，由于差分放大電路輸入阻抗由外部電阻決定，而外部電阻不會太大，所以信號輸入時會有電流流入差分放大電路，造成輸入信號失真，因此設(shè)計了三個運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大電路，輸入級由兩個運(yùn)放構(gòu)成，輸入信號直接輸入運(yùn)放的同相輸入端，因此無電流流入運(yùn)放，不會造成輸入信號失真。

圖5儀表放大電路

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由于儀表放大器優(yōu)異的性能，市面上有集成的儀表運(yùn)放IC，如TI的INA826，其邏輯框圖如下圖6，通過調(diào)整外部Rg的阻值，即可調(diào)整放大倍數(shù)，同時支持單電源供電。

圖6集成儀表放大器

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實際的儀表運(yùn)算放大電路不僅僅是確定放大倍數(shù)這么簡單，其共模、差模、輸入電壓與供電電源之間的關(guān)系還有深度考究，后續(xù)會有專門的文章去介紹儀表放大器。

五、電壓跟隨器

實際電路中，如果前一級的輸出阻抗大，后一級的輸入阻抗小，直接相連時，由于電阻分壓作用，信號會出現(xiàn)失真，此時正確的做法是進(jìn)行阻抗匹配，那么就需要用到電壓跟隨器。

圖7電壓跟隨器

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電壓跟隨器的特點很明顯，輸入電壓等于輸出電壓，輸入阻抗極大，輸出阻抗極小，意味著其既不從前級吸收電流，也不會對后級電路分壓。那么如何體現(xiàn)這個說法呢，我們以前文提到的差分放大電路為例做一個仿真。

圖8 差分放大電路仿真

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圖8的差分放大電路仿真結(jié)果符合前文的公式計算結(jié)果Vout=V2-V1=2V，那當(dāng)我們用下方的電阻分壓得到的5V電壓為這個差分放大電路提供一個5V的偏置，其輸出結(jié)果會是預(yù)期的2+5=7V嗎？結(jié)果如圖9。

圖9 差分放大電路加入偏置

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很顯然，結(jié)果不符合預(yù)期，原本的5V分壓變成了6.4V，差分放大電路輸出隨之也變成了8.4V，這就是阻抗不匹配的原因，不僅電源V3的電流經(jīng)過了R6，差分放大電路的電流也通過R4經(jīng)過了R6，造成R6分壓比預(yù)期高。因此我們需要在分壓電路和差分電路之間加一個電壓跟隨器匹配阻抗。如下圖10，加了電壓跟隨器之后每個點的電壓和差分放大電路的輸出電壓均符合預(yù)期。

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----總結(jié)----

本文簡單介紹了最常見的運(yùn)放電路，也提到了關(guān)于阻抗匹配的概念，但是這些電路實際運(yùn)用遠(yuǎn)沒有這么簡單，將會在后續(xù)介紹完相關(guān)概念后進(jìn)一步介紹這些電路的實際應(yīng)用。此外還有一些電路沒有提到，例如積分電路、微分電路、求和電路等，這些電路隨后也會介紹。

審核編輯：湯梓紅