关于典型运算放大器电路的操作

运算放大器电路

运算放大器用途广泛，已成为许多应用的首选放大器。集成的优势还允许运算放大器包含在许多专用集成电路 (ASIC) 中，在这些电路中，与其他电路元件结合，可以设计芯片以执行特定功能，例如，可以从专用音调变化控制或可编程滤波器网络连接到完整的音频或通信系统。

本节介绍模块 6.3 中描述的电压放大器的一些基本变体，这些变体通常用于许多电路。

电压跟随器

图 6.6.1 电压跟随器

图 6.6.1 所示的电压跟随器看起来很像一个非反相电压放大器，但没有反馈和输入电阻。非反相电压放大器的增益通常使用 Rf和 Rin的值通过以下公式来描述：

然而，在电压跟随器电路中，Rin和 Rf都被简单的导体所取代，因此上式中的这两个值都将非常小，因此增益为 1。因此，电压跟随器不充当放大器，输出电压“跟随”输入电压，但电路确实具有一些非常有用的特性。

模块 3.2 描述了如何使用负反馈来增加输入阻抗，并降低放大器的输出阻抗。电压跟随器使用 100% 负反馈，它是有效的电压衍生和串联馈电，因此反馈对阻抗的影响是显着的。电路的输入阻抗通常增加到数兆欧 (106Ω) 甚至太欧 (1012Ω)，而运算放大器的输出阻抗保持非常低，在欧姆到数百欧姆的范围内。与任何其他负反馈 (NFB) 放大器一样，噪声和失真也会降低。

因此，电压跟随器作为缓冲放大器非常有用，它将减少对先前电路的负载影响，并且由于其低输出阻抗，将为任何后续电路提供更多电流。

差分放大器

图 6.6.2 显示了具有单输出的差分放大器。这种操作模式是反相和同相放大器的组合。在这种模式下，输出将是两个输入之间的差乘以闭环增益。

图 6.6.2 差分放大器

通常通过选择反馈电阻和输入电阻的比率来设置闭环增益值。在反相和非反相放大器中，仅使用一个输入，另一个输入接地。

然而，在差分放大器中，两个输入都在使用，因此需要两对电阻来控制增益，每个输入一对。重要的是两个输入的增益相等，否则输出将等于电压差和增益差。

因此，在图 6.6.2 中，对于每个输入端的相同增益，R1 应等于 R2，R3 应等于 R4。

图 6.6.2 电路的一个问题是，与单输入运放模式相比，输入阻抗非常低。另一个问题，尤其是在需要大于 1 的增益的情况下，变得难以足够精确地匹配两个增益，即使由于输入电流不等而使用精密容差电阻器，并且输入电压的微小差异可能被放大到在输出端产生更大的错误。

图 6.6.3 仪表放大器

仪表放大器

上一段提到的与输入阻抗和电阻匹配有关的两个问题都可以通过使用稍微复杂的设计仪表放大器来解决，如图 6.6.3 所示。

该电路通过在输入端使用两个同相缓冲放大器来增加输入阻抗，从而解决了输入阻抗低的问题，并设计有反馈电阻器，可提供大于 1 的闭环增益。

输入缓冲放大器增益不匹配的问题通过使用共享输入电阻器 (R2) 得到解决，因此两个输入放大器的增益仅由单个电阻器设置。

输出放大器现在可以具有 1 的增益，并且 R4、R5、R6 和 R7 可以是相同的值。如果在集成电路内的单个硅晶片上生产具有紧密公差和相同温度系数的放大器和电阻器，则生产它们的问题会变得更容易。生产集成电路仪表放大器，例如德州仪器(TI) 的INA114，看起来非常像单个运算放大器，但使用单个电阻器来设置其增益。

加法放大器

求和放大器是（通常）反相放大器的扩展，它在其输入端对多个模拟信号（AC 或 DC）进行数学加法。它可以有多种用途：

1. 直流电平控制

图 6.6.4 为交流波添加直流偏移

通过将交流信号施加到求和放大器输入之一，并将直流电压施加到另一个，直流电压被添加到交流信号，从而改变交流波的直流电平。这方面的一个示例应用可以是模拟示波器上的 Y 偏移控制，以改变波形的垂直位置。

2. 使用求和放大器的数模转换

图 6.6.5 数模转换 (DAC)

最简单的数模转换器 (DAC) 使用求和放大器和加权电阻网络，如图 6.6.5 所示，其中电阻值为 1、2、4 和 8 的电阻由稳定的参考电压馈电，并且可以单独切换到求和运算放大器的输入电路中。放大器输出将具有 16 个不同的电压电平，具体取决于应用于输入 DO至 D3的 4 位数字代码。假设 Vref为 5 伏，任何可能的输入代码的输出电压将如图 6.6.5 中的表格所示。

3. 混音器

图 6.6.6 使用加法放大器的音频混合器

图 6.6.6 所示的音频混音器使用了一个加法放大器，该放大器由具有多个输入电阻器（R1、R2 和 R3）的反相运算放大器制成，与反馈电阻器 R5 一起，在反相输入端添加各个信号输入电压的运算放大器。在音频混音器中，R1 R2 和 R3 通常是相同的值。

由于第一级中使用的求和放大器基于反相放大器，第一级输出的信号将与输入信号反相，因此使用第二个反相放大器将信号恢复到其原始相位。当 R1 到 R8 的值都相等时，每一级的增益以及总增益将为 1。

有源滤波器和波形整形

在交流理论模块 8 中描述的无源波形整形和滤波电路中添加运算放大器，克服了无源电路的增益总是小于 1，输出总是小于输入的问题。这在仅使用一阶电路（仅具有单个波形整形或滤波器元件）的情况下可能是可以接受的，但是因为通常通过使用多个电路元件来提高电路的效率，例如使用低通滤波器和高通滤波器组合起来制作带通滤波器，通常需要二阶甚至四阶滤波器。在这种情况下，由额外的无源滤波器引起的衰减会导致信号幅度下降到无法接受的程度。

借助有源滤波器和波形整形电路，运算放大器用于克服无源元件造成的损耗，使多个（2 阶、3 阶、4 阶...Q 因子。

运算放大器微分器（或高通有源滤波器）

图 6.6.7 运算放大器微分器

当运算放大器用于波形整形电路时，电路的工作是利用放大器的特性以及电阻和电容的特性来获得波形的变化。

图 6.6.7 中的电路使用C1 x R2 (10exp-9 x 470exp3) = 470µs的CR 时间常数将周期时间为 1/100Hz = 10ms的方波转换为正脉冲和负脉冲。微分器的时间常数比波的周期时间短。

暂时忽略R1，操作如下：

图 6.6.7 所示的电路基本上是一个反相放大器，但在反相输入端增加了一个电容器。如果将稳定电压施加到 C1 的左侧板，则会在 C1 上产生电压，因为右侧板通过运算放大器的作用保持在 0V（虚拟接地），将反相输入保持在与非输入相同的电压- 反相输入，连接到 0V。当输入电压（方波）保持在恒定电平时，将没有电流流过 C1，因此也没有电流流过 R2。输出电压也将是恒定的。

当输入电压突然变化时，将有一个突然的电流脉冲进入电容器，因为它快速充电（由于短CR 时间常数）到新的水平。假设输入电压变得更正，运算放大器输出将变为负，以将反相输入保持在 0V。请注意，由于反相放大器的作用，有源电路产生的脉冲与无源微分电路预期的相位相反。

运算放大器微分器在低频下产生了良好的（尽管是反向的）微分，脉冲幅度取决于输入波的变化率以及运算放大器的增益。增益将反过来取决于 R2 与容抗(XC) 的 C1。然而，电抗随着频率的增加而减小，因此运算放大器的增益将随着频率的增加而增加。在某些高频下，C1 的电抗实际上会降低到 0Ω，运算放大器的增益几乎可以无限高。这将导致严重的高噪音问题和不稳定问题。电路将开始不受控制地振荡。R1 的目的是帮助防止这种不稳定性，当 C1 的电抗减小时，它会在某个频率下低于 R1 的电阻值，并且由于 C1 和 R1 串联，X C的低值变得无关紧要，比率控制现在最大增益为 R2/R1。

图 6.6.8 高通/带通有源滤波器响应

有源高通滤波器

对于无源和有源电路，图 6.6.7 所示的微分器波形整形电路在输入为正弦波时也可用作高通滤波器。然而，对于电路的有源版本，无源电路存在显着差异。因为运算放大器的增益由于其功率带宽和压摆率限制而在某些频率下下降。这会影响其高频操作，因此有源高通滤波器在某种程度上也将表现为带通滤波器，在中心通带之下和之上都有衰减，如图 6.6.8 所示。如果通过选择适当的组件值来管理低频和高频拐角频率的频率，这可能是一个问题，但也是一个优势。

积分器/低通滤波器

图 6.6.9 运算放大器积分器/低通有源滤波器

在运算放大器积分器电路中，电容器被插入反馈回路中，并在反相输入端与 R1 一起创建一个 CR 时间常数。该点通过运算放大器的作用保持在虚拟接地。只要输入为 0V，就没有电流通过电阻器 R1，因为 LM324 的反相输入处于虚拟接地。

由于 R2 的存在，C 将处于放电状态，这会阻止 C1 保持先前状态的一些电荷。如果发生这种情况，输出（连接到 C1 的右侧板）很容易被驱动到 +VS或 -VS，从而导致运算放大器“锁定”并且无法恢复正常的输出电压。

如果现在施加到 Vin的方波进入其正半周期并在 Vin处产生稳定的正直流电压，则电流将流过 R1 并开始为 C1 充电。因为 R1 和 C1 的结点（LM324 的反相输入端）的电压保持在虚拟地，运算放大器输出端的电压（连接到 C1 的右侧板）将开始以一定速率下降由 CR 时间常数控制。输出电压将继续下降，试图达到与 Vin相等且相反的负电压此动作在输出端导致相对线性的负向斜坡，直到（远在一个时间常数结束之前），输入方波突然改变极性。

在输入方波的负半周期开始时将Vin处的电压改回其较低的电平将导致 C1 开始放电，并且为了保持反相输入为 0V，运算放大器输出端的电压将开始以线性方式增加。这种情况一直持续到下一个周期开始时输入突然再次变为正值。

为了在输出三角波上产生线性斜坡，积分器电路的 CR 时间常数应与输入波周期时间的一半相似或更长。在图 6.6.9 所示的情况下，时间常数 R1 x C1 (10exp3 x 22exp-9) = 220µs 将周期时间为 1/2exp3Hz = 500µs/2 = 250µs 的 1kHz 方波转换为合理线性的三角波海浪。

二阶有源滤波器

图 6.6.10 二阶低通有源滤波器

图 6.6.10 显示了具有双 CR 低通滤波器网络的二阶 Sallen-Key 低通滤波器。这种滤波器通常使用特定频率的分量值的图表和表格来设计，因为使用数学设计多阶滤波器网络非常复杂且耗时。另一种方法是使用多级可编程滤波器，它在单个集成电路中包含多个有源滤波器。它们有两种主要设计，开关电容器或模拟滤波器。图 6.6.11 展示了一个典型的模拟示例，德州仪器公司的UAF42它包含四个独立的模拟有源滤波器，可以进行数字编程以创建四种主要滤波器类型的任意组合。

图6.6.11德州仪器 UAF42数字可编程模拟滤波器 IC