Question

电路入门之——运算放大器

Answer 1

运算放大器是一种可以进行数学运算的放大电路。运算放大器不仅可以通过增大或减小模拟输入信号来实现放大，还可以进行加减法以及微积分等运算。所以，运算放大器是一种用途广泛，又便于使用的集成电路。

如图1所示，运算放大器的电路符号有正相输入端Vin(+)和反相输入端Vin(-)两个输入引脚，以及一个输出引脚Vout。实际上运算放大器还有电源引脚(+电源、-电源)和偏移输入引脚等，在电路符号上没有表示出来。

运算放大器的主要功能是以高增益放大、输出2个模拟信号的差值。我们将放大2个输入电压差的运放称为差动放大器。当Vin(+)电压较高时，正向放大输出。当Vin(-)电压较高时，负向放大输出。此外，运算放大器还具有输入阻抗极大和输出阻抗极小的特征。即使输入信号的差很小，由于运算放大器有极高的放大倍数，所以，也会导致输出最大或最小电压值。因此，常常要加负反馈后使用。下面让我们来看一个使用了负反馈的放大器电路。

如图2所示，反相放大器电路具有放大输入信号并反相输出的功能。“反相”的意思是正、负号颠倒。这个放大器应用了负反馈技术。所谓负反馈，即将输出信号的一部分返回到输入，在图2所示电路中，象把输出Vout经由R2连接(返回)到反相输入端(-)的连接方法就是负反馈。

我们来看一下这个反相放大器电路的工作过程。运算放大器具有以下特点，当输出端不加电源电压时，正相输入端(+)和反相输入端(-)被认为施加了相同的电压，也就是说可以认为是虚短路。所以，当正相输入端(+)为0V时，A点的电压也为0V。根据欧姆定律，可以得出经过R1的I1=Vin/R1。另外，运算放大器的输入阻抗极高，反相输入端(-)中基本上没有电流。因此，当I1经由A点流向R2时，I1和I2电流基本相等。由以上条件，对R2使用欧姆定律，则得出Vout=-I1×R2。I1为负是因为I2从电压为0V的点A流出。换一个角度来看，当反相输入端(-)的输入电压上升时，输出会被反相，向负方向大幅度放大。由于这个负方向的输出电压经由R2与反相输入端相连，因此，会使反相输入端(-)的电压上升受阻。反相输入端和正相输入端电压都变为0V，输出电压稳定。

那么我们通过这个放大器电路中输入与输出的关系来计算一下增益。增益是Vout和Vin的比，即Vout/Vin=(-I1×R2)/(I1×R1)=-R2/R1。所得增益为-表示波形反相。在这个算公式中需要特别注意的地方是，增益仅由R1和R2电阻比决定。也就是说。我们可以通过改变电阻容易地改变增益。在具有高增益的运算放大器上应用负反馈，通过调整电阻值，就可以得到期望的增益电路。

与反相放大器电路相对，图3所示电路叫做正相放大器电路。与反相放大器电路最大的不同是，在正相放大器电路中，输入波形和输出波形的相位是相同的，以及输入信号是加在正相输入端(+)。与反相放大器电路相同的是，两个电路都利用了负反馈。

我们来看一下这个电路的工作过程。首先，通过虚短路，正相输入端(+)和反相输入端(-)的电压都是Vin，即点A电压为Vin。根据欧姆定律，Vin=R1×I1。另外，运算放大器的两个输入端上基本没有电流，所以I1=I2。而Vout为R1与R2电压的和，即Vout=R2×I2+R1×I1。整理以上公式可得到增益G，即G=Vout/Vin=(1+R2/R1)。如果撤销这个电路中的R1，将R2电阻变为0Ω或者短路，则电路变为增益为1的电压跟随器。这种电路常用于阻抗变换和缓冲器中。

Comparator也可称为比较器，比较两个电压的大小，然后输出1(+侧的电源电压，图示为VDD)或0(-侧的电源电压)。比较器常常用于检测输入是否达到规定值。也可以用运算放大器来代替比较器，但一般情况下使用专用的比较器IC。比较器和运算放大器使用相同电路符号。

比较器电路如图4所示。我们来看一下这个电路的工作过程。首先应该注意，这个电路中没有正反馈也没有负反馈。放大Vin和VREF的差值，从Vout输出。例如，Vin大于VREF时，放大输出的Vout上升至+侧的电源电压，达到饱和。Vin小于VREF时，输出Vout下降至-侧电源电压达到饱和。通过这个动作，Vin和VREF的比较结果在Vout上输出。实际应用中，一般使图4电路上产生滞后(用于防止错误动作的电压领域)，如图5，Vin会产生一些噪波，但仍可稳定动作。

负反馈动作中，从输出返到输入的信号越大，则输出越小。于此相反，正反馈中，从输出返到输入的信号越大，则输入越大。当正反馈动作中增益大于1时，电路振荡。将这种振荡合理利用到电路中，就形成振荡电路。图6的不稳定多谐振荡器就是一个振荡电路。

+侧最大值VL和-侧最大值VL都是不稳定的，两个数值不断变化，因此称之为不稳定。我们来看看这个电路中的动作。首先，输出Vout经由R2反馈至正相输入端(+)，这是一个正反馈电路。然后在输入Vout上应用R3和C，这是一个积分电路。大家可能会觉得积分电路很难，实际上，我们可以将它简单理解为，输出在Vout上的电压的一部分，缓缓储存到电容器的一个过程电路。在初始状态中，通过正反馈电路Vout迅速增大并达到最大值(VL)。

然后，通过R3和C构成的积分电路，缓缓增加反相输入端(-)。经过一定时间，正相输入端(+)的电压超过反相输入端(-)电压，相当于在差动输入上输入负电压，则Vout在负侧上迅速增大达到-VL。Vout变为负，通过R3和C构成的积分电路，反相输入端(-)电压缓缓增大。经过一定时间后，反相输入端电压超过正相输入端(+)的电压，相当于在差动输入上输入了正电压，则Vout向正方向迅速变化。这个过程不断重复，在Vout交替出现VL和-VL，从而实现振荡电路动作。