學好嵌入式系統電路入門之——運算放大器

　　方便多用途的集成電路 — 運算放大器

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201607/294547.htm

　　運算放大器是一種可以進行數學運算的放大電路。運算放大器不僅可以通過增大或減小模擬輸入信號來實現放大，還可以進行加減法以及微積分等運算。所以，運算放大器是一種用途廣泛，又便於使用的集成電路。

　　

 

　　圖1：運算放大器的電路符號

　　如圖1所示，運算放大器的電路符號有正相輸入端Vin(+)和反相輸入端Vin(-)兩個輸入引腳，以及一個輸出引腳Vout。實際上運算放大器還有電源引腳(+電源、-電源)和偏移輸入引腳等，在電路符號上沒有表示出來。

　　運算放大器的主要功能是以高增益放大、輸出2個模擬信號的差值。我們將放大2個輸入電壓差的運放稱為差動放大器。當Vin(+)電壓較高時，正向放大輸出。當Vin(-)電壓較高時，負向放大輸出。此外，運算放大器還具有輸入阻抗極大和輸出阻抗極小的特徵。

　　即使輸入信號的差很小，由於運算放大器有極高的放大倍數，所以，也會導致輸出最大或最小電壓值。因此，常常要加負反饋後使用。下面讓我們來看一個使用了負反饋的放大器電路。

　　運算放大器的基本① - 反相放大器電路

　　

 

　　圖2：反相放大器電路

　　如圖2所示，反相放大器電路具有放大輸入信號並反相輸出的功能。「反相」的意思是正、負號顛倒。這個放大器應用了負反饋技術。所謂負反饋，即將輸出信號的一部分返回到輸入，在圖2所示電路中，象把輸出Vout經由R2連接(返回)到反相輸入端(-)的連接方法就是負反饋。

　　我們來看一下這個反相放大器電路的工作過程。運算放大器具有以下特點，當輸出端不加電源電壓時，正相輸入端(+)和反相輸入端(-)被認為施加了相同的電壓，也就是說可以認為是虛短路。所以，當正相輸入端(+)為0V時，A點的電壓也為0V。根據歐姆定律，可以得出經過R1的I1=Vin/R1。

　　另外，運算放大器的輸入阻抗極高，反相輸入端(-)中基本上沒有電流。因此，當I1經由A點流向R2時，I1和I2電流基本相等。由以上條件，對R2使用歐姆定律，則得出Vout=-I1×R2。I1為負是因為I2從電壓為0V的點A流出。換一個角度來看，當反相輸入端(-)的輸入電壓上升時，輸出會被反相，向負方向大幅度放大。由於這個負方向的輸出電壓經由R2與反相輸入端相連，因此，會使反相輸入端(-)的電壓上升受阻。反相輸入端和正相輸入端電壓都變為0V，輸出電壓穩定。

　　那麼我們通過這個放大器電路中輸入與輸出的關係來計算一下增益。增益是Vout和Vin的比，即Vout/Vin=(-I1×R2)/(I1×R1)=-R2/R1。所得增益為-表示波形反相。

　　在這個算公式中需要特別注意的地方是，增益僅由R1和R2電阻比決定。也就是說。我們可以通過改變電阻容易地改變增益。在具有高增益的運算放大器上應用負反饋，通過調整電阻值，就可以得到期望的增益電路。

　　運算放大器的基本② — 正相放大器電路

　　

 

　　圖3：正相放大器電路

　　與反相放大器電路相對，圖3所示電路叫做正相放大器電路。與反相放大器電路最大的不同是，在正相放大器電路中，輸入波形和輸出波形的相位是相同的，以及輸入信號是加在正相輸入端(+)。與反相放大器電路相同的是，兩個電路都利用了負反饋。

　　我們來看一下這個電路的工作過程。首先，通過虛短路，正相輸入端(+)和反相輸入端(-)的電壓都是Vin，即點A電壓為Vin。根據歐姆定律，Vin=R1×I1。另外，運算放大器的兩個輸入端上基本沒有電流，所以I1=I2。而Vout為R1與R2電壓的和，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)。

　　如果撤銷這個電路中的R1，將R2電阻變為0Ω或者短路，則電路變為增益為1的電壓跟隨器。這種電路常用於阻抗變換和緩衝器中。

　　輸入值的判定 — 比較器

　　Comparator也可稱為比較器，比較兩個電壓的大小，然後輸出1(+側的電源電壓，圖示為VDD)或0(-側的電源電壓)。比較器常常用於檢測輸入是否達到規定值。也可以用運算放大器來代替比較器，但一般情況下使用專用的比較器IC。比較器和運算放大器使用相同電路符號。

　　比較器電路如圖4所示。我們來看一下這個電路的工作過程。首先應該注意，這個電路中沒有正反饋也沒有負反饋。放大Vin和VREF的差值，從Vout輸出。例如，Vin大於VREF時，放大輸出的Vout上升至+側的電源電壓，達到飽和。Vin小於VREF時，輸出Vout下降至-側電源電壓達到飽和。

　　通過這個動作，Vin和VREF的比較結果在Vout上輸出。

　　實際應用中，一般使圖4電路上產生滯後(用於防止錯誤動作的電壓領域)，如圖5，Vin會產生一些噪波，但仍可穩定動作。

　　

 

　　圖4：比較器電路

　　

 

　　圖5：有滯後效應的比較器電路

　　利用正反饋的發振電路

　　負反饋動作中，從輸出返到輸入的信號越大，則輸出越小。於此相反，正反饋中，從輸出返到輸入的信號越大，則輸入越大。當正反饋動作中增益大於1時，電路振蕩。將這種振蕩合理利用到電路中，就形成振蕩電路。

　　圖6的不穩定多諧振蕩器就是一個振蕩電路。

　　

 

　　圖6：不穩定多諧振蕩器電路

　　+側最大值VL和-側最大值VL都是不穩定的，兩個數值不斷變化，因此稱之為不穩定。我們來看看這個電路中的動作。首先，輸出Vout經由R2反饋至正相輸入端(+)，這是一個正反饋電路。然後在輸入Vout上應用R3和C，這是一個積分電路。大家可能會覺得積分電路很難，實際上，我們可以將它簡單理解為，輸出在Vout上的電壓的一部分，緩緩儲存到電容器的一個過程電路。在初始狀態中，通過正反饋電路Vout迅速增大並達到最大值(VL)。

　　然後，通過R3和C構成的積分電路，緩緩增加反相輸入端(-)。經過一定時間，正相輸入端(+)的電壓超過反相輸入端(-)電壓，相當於在差動輸入上輸入負電壓，則Vout在負側上迅速增大達到-VL。Vout變為負，通過R3和C構成的積分電路，反相輸入端(-)電壓緩緩增大。經過一定時間後，反相輸入端電壓超過正相輸入端(+)的電壓，相當於在差動輸入上輸入了正電壓，則Vout向正方向迅速變化。這個過程不斷重複，在Vout交替出現VL和-VL，從而實現振蕩電路動作。