簡單模電設計，掌握這幾個經典的運放電路就夠用了

文/Edward

比例放大器

在做模擬信號處理的時候，有時候由於信號的幅度太小，不利於後續的電路處理，因此需要預先將小信號進行放大。做放大的時候，就要運用運放了。基本上只要有模擬信號的地方，都會用到運放。注意這裡的運算放大器，不僅僅只是對電壓信號進行簡單的放大，這裡更加體現的重點是"運算"。比例放大電路將一個信號等比例放大的電路是比例放大電路。這裡請注意，如果一個信號是交流信號，即有負半周部分，則應當使用如μA741之類的雙電源運放；如果處理僅有正半周的信號時，則應當選擇如LM324之類的單電源運放，如果不按照這個方式選擇運放，則會產生一個為電源電壓一半的直流偏置，不利於後續處理。比例放電電路有兩種，一種是正向電壓放大器，如圖1所示；一種是反向電壓放大器，如圖3所示。圖1中VOUT和VIN之間的關係為：

圖1 正向電壓放大器

這裡假設有一個信號S，其為頻率1K，幅度0.1V的正弦信號，需要設計一個10倍的放大電路將其放大至1V。則設計的電路及波形如圖2所示。

圖2 正比例放大器的電路及波形

另一种放大器為反相放大器，或者稱反比例放大器。對於周期信號來說，反相放大的即是指將其信號的相位移90度。如圖2-7所示。圖3中VOUT和VIN之間的關係為：

圖3 反向電壓放大器

這裡假設有一個信號S，其為頻率1K，幅度0.1V的正弦信號，需要設計一個10倍的放大電路將其反向放大至1V。則設計的電路及波形如圖4所示。

圖4 反比例放大器的電路及波形

本文對於模擬電路的講解，僅限於一些結果的呈現，由於內容比較繁多，因此如果模擬電路基礎薄弱的，還需多花時間進行系統學習。 電壓跟隨器與反相器電壓跟隨器，其實可以看成是一種特殊的運算放大器，即輸入電壓信號與輸出電壓信號的幅值比例為1，相位差為0，即增益為1的運算放大器。有些讀者可能會有疑惑，增益為1，那豈不是相當於一種直來直往的器件？內部是否任何工作都沒有做？其實不然，先看一下圖5展示的電壓跟隨器及其波形，後續再做詳細講解。

圖5 電壓跟隨器電路及其波形

電壓跟隨器與反相器

電壓跟隨器，雖然對信號相當於未作任何處理，但是其存在的必要性是無法代替的，主要目的是改變兩個電路系統之間連接的阻抗。對於我們後續的設計中，如果有多級電路串聯來傳遞信號的，那麼應該第一反應就是考慮是否需要加跟隨器。先看電壓跟隨器是如何改變電路連接的阻抗的。假設有一個電阻分壓的電路，對一個正弦波進行分壓，並且送給另一個採樣電路去採樣，且採樣電路的輸入阻抗為10K。如圖6所示。

圖6 電阻分壓採樣示意圖

圖6，很明顯可以看到電阻R2和R3處於並聯關係，因此其總阻抗其實是變成了10K左右，本來R1是和R2的分壓，結果變成了R2和R3的並聯等效電阻的分壓了，這就造成了後級電路對前級電路的影響，是我們所不期望的。運放由於其特性，決定了它的輸入阻抗是非常大的，近似可以看作輸入短路，這叫"虛斷"。因此將其組成電壓跟隨器加在兩級電路中間，可以基本隔絕兩端電路的相互影響，又對傳輸信號沒有任何影響，如圖7所示。

圖7 電壓跟隨器隔離電路

關於第二個信號延時功能一會再說，先來看反相器。反相器，顧名思義就是增益為-1的運放，即輸出信號與輸入信號的幅度相等，相位相差90度。如圖8所示。

圖8 反相器及其波形

反相器比較好理解，這裡就不做過多解釋了。

加法器和減法器

加法器和減法器可以看作一個類型的器件，當有兩個電壓信號S1，S2，需將其疊加輸出，產生S3，使得S3=S1+S2。那麼其電路如圖9所示。

圖9 加法器電路

而想要實現減法器，即S3=S2-S1，參考圖10。

圖10 減法器電路

假定R4/R3=n，只需修改n的值，則可以實現減法比例放大，且滿足S3=n*(S1-S2)。這個可以自己去嘗試，需要注意的是，R1的值一定要和R4相等。