几种最基本的运算放大电路设计

当我们在进行信号处理的时候难免会遇到进行将信号放大的情况，这时候就得需要我们自己去设计搭建电路来设计合适的放大电路，我想对于任何一个电子爱好者在对于这种设计都会有种经历，或许还有一些感情掺杂在里面，包含我们曾经奋斗的时光记忆，今天我就给大家讲述几种最基本的运算放大电路：

反向比例运算电路

上图既是我们最基本的反向运算比例电路的电路图，电路图中的ui是输入信号，uo是输出信号，在这里输入信号经过运算放大器的放大从输出端输出，在这里我们的放大倍数可以通过Rf/R1来表示出来，至于R1的大小最好选的稍大一点，大概几千欧左右的样子，目的是为了能有更多的信号输入进来。

这里我们可以举个例子，假设R1大小为10KΩ，Rf的大小为100KΩ，那么输出信号就是输入信号的十倍，在这里我们完全可以通过改变这两个电阻的大小比值来改变放大倍数。

至于为什么要叫它反相比例电路，不知道大家注意到了没有，ui实际上是和运放的负极相连的，而输出端是正极，所以输入信号和输出信号的方向正好相反，因此就称作反相比例电路。

除了单个运放还有两极的甚至三级及以上的运放，读者可自己拓展。

同相比例运算电路

除了上述列出的那一种还有一个与它刚好相反的同相比例运算电路，来看下原理图

同相比例运算电路和反相比例运算电路有一个很大的区别就在输入端改变了，这里把输入端放到运算正极处了，输出端没有变，根据上一个电路的介绍在这里我们也很容易就能理解，为什么叫做同相比例运算电路，无外乎就是输入线号方向和输出信号方向相同呗。

但是这里的放大倍数与上一个电路的计算方式会有不同，这里的放大倍数计算公式为1+Rf/R1，我们也可以看出同样的电阻同相比例运算电路比反相比例运算电路放大倍数会稍微大一点点。

当然同相比例运算电路也不限于一级，也有多级的，电路搭建和第一个类似。这两种电路供大家参考，大家在使用的时候可以择优选择。

差分放大电路

图2.3 差分放大电路

图2.3为差分放大电路，它是图2.2反相比例放大电路的“变种”。类似与反相比例放大电路的分析方法，可以得到结论：

当R1=R3并且R2=R4时，得到等式2.5。这就是此电路命名的由来，它可以对差分信号进行放大。

同相放大电路

上文介绍的放大电路会引起相位翻转180°，图2.4为同相放大电路，顾名思义，输出和输入保持相同的相位。理想的运放具有输入阻抗无穷大，输出阻抗无穷小的特点，同相放大电路保持了运放的这种特性。

图2.4 同相放大电路

分析图2.4，应用运放的“虚短”，可知V2=V1;此外，因为运放的“虚断”，输出电压的电流全部流经R2和R1，因此V2由R1和R2对Vout分压得到。

因此，

调节R2可以电路的放大倍数。

注意，同相放大电路的应用场合具有局限性，一般只用于直流电平的放大，不适合用于交流信号的放大，因为它会将交流信号的直流偏置电压一并放大，从而使其偏置电位发生偏移。带参考电平的反相比例放大电路在信号放大时比较有实用性。

实际上只是在图2.3的差分放大器的基础上加一个隔直电容C1,具体原理待日后讲解有源滤波器时再分析。

电压跟随电路

图2.5 电压跟随电路

图2.5是运放的一种特殊应用方式，很容易得到结论Vout=Vin。输出电压跟随输入电压，因此称之为“电压跟随器”。

电压跟随电路是图2.4同相放大电路的衍生产物，是放大倍数为1的同相放大电路。前文已介绍理想的同相放大电路的输入阻抗无穷大，输出阻抗无穷小。

基于此特性，电压跟随电路一般用于信号的隔离。简单举例说明，如图2.6，由R1和R2产生参考电压供给下一级电路使用，因为下一级电路的等效内阻会影响R1和R2的分压比，因此参考电压将会发生变化，如果内阻不是固定的，则此电路将无法使用。

图2.6 不可靠的参考电压电路

比较可靠的设计如图2.7所示：

图2.7 可靠的参考电压电路

仪器放大电路

图2.8 仪器放大电路

图2.8是典型的仪器放大电路，顾名思义此方法电路使用于小信号的放大，一般用于传感器信号的放大。传感器的输出信号很小，一般只有几毫伏到几十毫伏。

电路由两级放大电路组成，第一级由A1,A2组成，同相输入，输入阻抗高，电路结构对称，可很好的抑制零点漂移;第二级由A3组成，良好的共模抑制比，输入阻抗高，增益在大范围内可调。

选值要求：R4=R5,R6=R7,R8=R9(保持电路的对称性)，R3为可调电阻，用于调节电路增益。电路输入输出的关系式如下：

推导过程：

实际上，仪器放大电路是前文所述的同相放大电路及差分放大电路的综合体。分析方法可以参考前文的阐述。

(1)、首先分析由A1和A2组成的同相放大电路。

由“虚短”及“虚断”原则，推导得到：

(2)、进一步分析由A3组成的差分放大电路。

由“虚短”及“虚断”原则，推导得到：

(3)、联合等式2.9和2.10得到结论：

比较器

1)、简单的比较器

图2.9 简单的比较器

图2.9是最简单的比较器电路，它利用的原理是“理想的运放具有无穷大的增益”。因此，V+与V-之间稍有电压差，即可引起输出的翻转。微弱的电压差经运放放大引起输出饱和。

Av为运放的开环放大倍数(一般为100dB左右，即十万倍)。当V+大于V-时，输出为正饱和(接近VCC，但是无法达到);当V-大于V+时，输出为负饱和(接近-VSS，但是无法达到)。连接V+至地，构成过零比较器，如图2.10所示。

图2.10 过零比较器

图2.10的过零比较器虽然简单，但是并不实用，它的问题在于比较器只有一个临界电压，输入信号上的杂波易引起输出误操作，如图2.11所示。

图2.11，信号杂波引起的比较器误操作

2)、迟滞比较器(The hysteresis comparator)

相对于上文所述的简单比较器，比较实用的是迟滞比较器，如图2.12所示。

图2.12，迟滞比较器

相比简单比较器，迟滞比较器只是增加了一个电阻R2。这将引起怎样的微妙变化呢?

通俗地说，R2在输入与输出之间搭起了一座桥梁，输出的变化可以通过R2传递至输入，然后比较器的阈值将随输出的变化而改变，达到了磁滞的目的。

如果需要定量分析，所有的比较器的原理都是一样的，利用运放的放大倍速为“无穷大”，将V+与V-之间的微弱电压差进行放大，达到饱和输出。所以，首先计算比较器的临界电压值(V+)，得到等式2.11。

显然，R2的作用是将输出电压引入临界电压。因为Vout会有两种状态+Vsat和-Vsat,所以迟滞比较器也将有两个临界电压(Vth_H及Vth_L)。

表格2.1，迟滞比较器的状态表

表格2.1可以很好的解释迟滞比较器的工作原理，图2.8是另一种有效的表达迟滞比较器工作原理的方式。设计合适的Vth_H及Vth_L，使(Vth_H-Vth_L)大于杂波幅值，可以有效的避免因为输入信号上的杂波引起的误操作。

图2.13，迟滞比较器的状态矢量图

3)、窗口比较器

窗口比较器用于判别输入电压是否落在某一个范围之内，图2.14是典型的窗口比较器。

其中，URH>URL，D1和D2不能省略，防止两个运放输出电平相反时损坏运放。比如，运放A1输出VOH，但是运放A2输出VOL,D1导通，但是D2截止，因此电流不会从A1流入A2,避免大电流损坏器件。

图2.14，窗口比较器

窗口比较的工作原理如图2.15所示。

1)、Uin>URH>URL，A1输出UOH,A2输出UOL，D1导通，D2截止，Uout=UOH;

2)、Uin

3)、URL< Uin

图2.15，窗口比较器的逻辑

审核编辑：汤梓红