秒懂运算放大电路的基础原理

运算放大器（下文简称运放），理想的运放，它的输入阻抗无穷大，输出阻抗为零。

理想的运放电路分析有两大重要原则贯穿始终，即“虚短”与“虚断”。

“虚短”的意思是正端和负端接近短路，即V+ = V- ，看起来像“短路”；

“虚断”的意思是流入正端及负端的电流接近于零，即I+=I-=0，看起来像断路（因为输入阻抗无穷大）。

————–放大电路——————

 根据“虚短”和“虚断”法则可以很简单的计算得到结果：

 等式1.1中的负号，表示输出和输入相位差180°

推导过程：

（1）电流的流入等于流出，所以i1=i2+i3 。由“虚断”法则得知i3=0A，所以i1=i2。

根据叠加法则：

 （2）又根据“虚短”法则，得知运放的正负两个端等同于“短路”，所以V+=V-。而因为运放的正端子V+被R3下拉至地平面，所以V-=V+=0V，代入等式1.2得到：

 再根据等式1.3可以推导出等式1.1。

因为Vout与Vin成线性的比例关系，因此这个典型放大电路被称为比例放大电路。

关于R1、R2、R3的选值：

（1）R1、R2、R3应该在K级，不宜达到M级；

（2）R3应该等于或近似于R1和R2的并联，以消除偏置电流的影响。

 同样可以推导：

 当R1=R3并且R2=R4时，得到等式2.2.这就是电路的命名由来，它可以对差分信号进行放大。

同相放大电路的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。

 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可以改变电路的放大倍数。

！！！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，因此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。

实际上再差分放大器的基础上加一个隔直电容C1。

电压跟随电路是运放的一种特殊应用方式，很容易得到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。前文已经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。如下图由于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，那么这个电路将无法使用。

不可靠的参考电压电路

可靠的参考电压电路

仪器放大电路

 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：

仪器放大电路是前文的同相放大电路及差分放大电路的综合体。

（1）首先分析由A1和A2组成的同相放大电路，由“虚短”和“虚断”原则，推导得到：

 （2）由A3组成的差分放大电路，由“虚短”及“虚断”原则，推导得到：

 （3）结合上面两个等式得出结论：

（1）简单的比较器

利用的原理是“理想的运放具有无穷大的增益”。因此，V+和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+小于V-时，输出为负饱和（接近-VSS，但是无法达到）。连接V+到地，构成过零比较器，如下图所示。

过零比较器

过零比较器虽然简单，但是并不实用，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。如下图的信号杂波引起的比较器误操作。

 （2）迟滞比较器

这是一种比较实用的迟滞比较器

 相比简单比较器，迟滞比较器只是增加了一个电阻R2。

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。

R2的作用是将输出电压引入临界电压。

（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。

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。

 窗口比较的工作原理
1）、Uin>URH>URL，A1输出UOH,A2输出UOL，D1导通，D2截止，Uout=UOH;
2）、Uin<URL<URH，A1输出UOL,A2输出UOH，D1截止，D2导通，Uout=UOH;
3）、URL< Uin<URH，A1输出UOL,A2输出UOL，D1截止，D2截止，Uout=UOL;