代码收藏家技术教程 2022-12-26

【深入浅出：解析几种基本放大电路】

注意，此处我们采用的是Multisim软件仿真，链接中有详细安装教程。

注意：仿真只是数学运算，实际情况的话，就不是数学运算那么简单，有很多复杂的因数在里面。所以具体情况要参照实际电路搭建。比如说，之前我们搭建蔡氏电路的时候，明明1700欧左右就能产生双周期的波形，但是按照仿真搭建的电路，具体确实1430欧左右才产生双周期的波形。这是需要注意的!!!

同向放大电路

Multisim器件打开位置

如下为相应器件位置。

因为LM358P内部是存在两个运放的，所以弹出的选项点击A还是B都可以。

同向放大电路图分析

同向放大原理

首先我们需要知道运放电路存在虚断（不清楚的可以看运算放大器（运放）介绍），所以说Vp和Vn之间不存在电流，因此R2和R1是串联的，流经R2的电流和流经R1的电流是一样的。于是我们可以列方程 $\frac{Vo-Vn}{R2}=\frac{Vn}{R1}$ ，最后可以得出 $\frac{Vo}{Vn}=\frac{R2}{R1}+1$ 。

之前我们介绍过，当负反馈存在的时候，运放一般会处于线性区（说一般的原因是有可能输入电压*放大倍数已经超过了饱和电压，例如输入电压5V，放大倍数3，饱和电压12V，那么就不是处于线性区。）。又因为在线性区间存在虚短，那么Vp=Vn。因此得出 $\frac{Vo}{Vp}=\frac{R2}{R1}+1$ 。于是，我们带入R2=10K，R1=5K，Vp=3.3V既可以得出此电路的放大效果为3倍，输出电压值为9.9V。

阻值选择

但是我们就会有人会想，为什么设置的是10k和5k呢？10欧和5欧不行吗？既然10欧和5欧不行，那么10M和5M呢？详情看运算放大器（运放）介绍中的输出端负载阻值影响部分。

如果不想看，直接说结论，我们外接的电阻尽量以千欧作为单位最佳。

同向放大电路运用——电压跟随器

首先，我们抛出一个问题。如果一个信号源Vs内阻很大，有100k，而我们需要被驱动的负载只有1k。根据电阻分压原理，我们可以得出负载电压Vo为 $Vo=\frac{1}{100+1}*Vs$ 。很明显最后负载上所得到的电压非常小。那么我们就可以利用电压跟随器来让信号源的电压Vs全部到负载上。

我们已经知道了同向放大电路的公式为 $\frac{Vo}{Vp}=\frac{R2}{R1}+1$ ,那么我们如果需要做一个电压跟随器只需要让R2为0，R1为无穷大即可。当短路时，电阻为0，断路时，电阻无穷大。那么我们就可以画出下面的电路。

但是有人会问了，如果只让R2=0，保留R1，不任然有电压跟随的效果吗？是的，的确有电压跟随效果，但是没有必要而且徒增麻烦，也增加成本。因为我们知道，运放的外接电阻不能过大，不能过小（运算放大器（运放）介绍中输出端负载阻值影响有详解）。如果我们选择错了电阻，会导致跟随效果出问题。就算选择对了，增加成本，何必呢？

因为电压跟随器具有几乎无穷大输入电阻，无穷小输出电阻，所以常常把他作为阻抗变换器，在高阻电压信号源和低阻负载中，起到隔离作用。故电压跟随器又称缓冲器或隔离器。

总结

⑴同向放大电路公式 $\frac{Vo}{Vn}=\frac{R2}{R1}+1$

⑵选择外接电阻以千欧为单位

⑶电压跟随器可以起到在高阻电压信号源和低阻负载中，起到隔离作用。

反向放大电路

Multisim中操作注意事项

⑴我们需要注意，选中运放的时候一般都是正向输入端在上面，反向输入端在下面。如果我们想调整两个位置，可以按Alt+Y，进行以Y坐标轴对称变换。

⑵当我们以Y轴进行对称变换的时候，需要注意此时上方是接负压，下方接正电压。否则运行的时候会报错。

反向放大电路图分析

反向放大原理

首先我们看Vp，可以知道他是直接接地的，所以Vp=0V，又因为运放处于线性区的时候存在虚断，那么Vp≈Vn≈0V，此时我们把Vn≈0V的现象称之为虚地。

因为运放存在虚断，所以说运放的反向输入端没有电流，可以列公式 $\frac{V1-Vn}{R2}=\frac{Vn-Vo}{R1}$ 。因为Vn≈0V，所以可以解出 $\frac{Vo}{V1}=-\frac{R1}{R2}$ 。我们带入R2=R1=5k可以得出此刻为等比反向放大电路。

利用反向放大电路实现电压同向等比缩小

首先我们知道了反向放大电路的公式为 $\frac{Vo}{V1}=-\frac{R1}{R2}$ ，那么我们可以先将V2反向缩小0.6倍，再进行一次等比反向放大。这样最终就输出了3V的电压

总结

⑴反向放大电路公式 $\frac{Vo}{V1}=-\frac{R1}{R2}$ （注意，这个R1R2可能因为有些书上的电路图R1R2跟我摆放是相反的，最后显示的是 $\frac{Vo}{V1}=-\frac{R2}{R1}$ 。但是我们需要知道公式是一样的）

⑵可以利用两个反向放大电路实现同行等比缩小。

求和电路

上方就是一个求和电路。依旧是根据虚短可知Vn≈Vp≈0。

由于虚断可知，i1+i2≈i3。因此列方程 $\frac{V2-Vn}{R2}+\frac{V1-Vn}{R1}=\frac{Vn-Vo}{R3}$ 。

结合两个公式可得到， $\frac{R3*V2}{R2}+\frac{R3*V1}{R1}=-Vo$ 。带入数值R1=10K,R2=5K,R3=10K，V1=V2=3.3V。最后可以求出Vo的值应该为-9.9V。这个时候有人会有疑惑，这不是没有求和啊，Vo还变成负数了。要做改变很简单，R1=R2=R3，然后在后面加一个反向等比放大即可。

求差电路

依旧是先虚短Vn≈Vp。

再虚断列出两个公式： $\frac{V1-Vn}{R1}=\frac{Vn-Vo}{R2}$ ; $\frac{V2-Vp}{R3}=\frac{Vp-0}{R4}$

结合三个公式可以得出， $Vo=\left ( 1+\frac{R4}{R1} \right )*\left ( \frac{R3}{R2+R3}\right )Vp-\frac{R4}{R1}*Vn$ ，当R1=R2=R3=R4的时候，我们可以得出Vo=Vp-Vn。

积分电路

Multisim函数发生器打开位置

下面我的示波器两个都连接了，为了区分AB两个波形，我将原来波形B设置为白色，通过运放处理后的波形为红色。先右击B这条线——>点击Segment color——>点击中间的白色——>点OK即可

积分电路图分析

积分电路原理及三角波产生

依旧是先虚短Vn≈Vp≈0。因为电容公式 $C=\frac{q}{Vn-Vo}=\frac{\int i2dt}{Vn-Vo}$ 。

再虚断，i1≈i2= $\frac{Vi}{R4}$ 。

结合可得， $Vo=-\frac{1}{C}\int \frac{Vi}{R4}dt=-\frac{1}{C*R4}\int Vidt$ 。

当输入电压Vi为阶跃信号方波时，Vi为定值。最后可以得出， $Vo=-\frac{Vi}{C*R4}*t$

我们首先利用函数发生器输出一个1KHZ频率，占空比为50%，峰值为10V的方波，设置如下

之后运行结果如下

首先开白色的线，半个周期是500us，意思是一个周期就算1ms，表明函数发生器是正常输出了一个1KHZ的方波。然后看红色的线，他的这个斜率为10.211V/500us=10.211V/0.0005S≈20000。我们再将C=100nf,R4=5K，V1=10V带入 $Vo=-\frac{Vi}{C*R4}*t$ ，发现 $\frac{Vi}{C*R4}$ 数值与20000一样。