基于理想运算放大器的常用运算电路设计

运算放大器(通常称为运算放大器)是用于设计电子电路的无处不在的构建块。今天，这些设备被制造成小型集成电路，但这个概念很久以前就开始使用真空管了。有一项 1946 年早期使用运算放大器概念的专利，尽管当时并未使用该名称。Raggazinni 经常被认为是在 1947 年创造了“运算放大器”一词。

早在 20 世纪，我在参加模拟计算的大学实验室课程时就遇到了运算放大器。模拟电路用于通过复杂的接线板连接求和放大器、微分器和积分器来模拟系统。模拟计算的使用正在逐渐消失，被数字计算机所取代，所以我不能说我从课程的计算部分中学到了很多。不过，我确实学到了很多关于运算放大器电路和控制系统的知识，这些在今天仍然很有价值。

理想运算放大器

为了理解运算放大器的基本功能，我们使用“理想运算放大器”的概念。理想的运算放大器是如图 1所示的压控电压源，具有以下属性：

1. 无限增益 (A v ) 和无限带宽

2. 零输出阻抗

3. 无限输入阻抗(零输入电流)

图 1理想的运算放大器是具有无限输入阻抗和零输出阻抗的压控电压源。

通常包括一个重要的第四个属性，但它仅在对运算放大器施加负反馈时才有效：

1. 两个输入之间的零伏

如果您想知道这个运算放大器是如何获得电源的，那么该器件有两个电源连接(正极和负极)，在讨论电路设计时经常被忽略(但在连接实际电路时绝对必不可少)。通常，提供双极电源，+/-15V，支持健康的信号摆动。

运算放大器很酷的一点是，对于许多非关键应用而言，运算放大器的性能(增益、带宽、阻抗等)与电路要求相比非常好，以至于它们确实像理想的运算放大器一样。它们易于设计，并已成为电子系统的重要组成部分。

同相放大器

我们将看到的第一个常见运算放大器配置是同相放大器(图 2)。我总是想知道为什么我们不将其称为“常规放大器”配置，或者只是“放大器”。

图 2同相放大器使用两个电阻器为运算放大器提供负反馈。

在这种配置中，我们看到我们有从输出返回到反相输入的反馈。这种负反馈意味着属性#4 被调用，并且两个输入的电压将始终为零(即，它们处于相同的电压)。因为没有电流可以流入输入端，所以出现在同相输入端的电压由 R 1和 R 2形成的分压器决定。

重新排列以获得放大器的增益，

请注意，电路的电压增益不取决于运算放大器的增益。我们假设如果运算放大器增益真的很大，那么足够的反馈将应用于非反相输入以产生所需的功能。

让我们检查一下关于两个运算放大器输入之间电压为零的假设。假设同相输入比反相输入高几毫伏。运算放大器的巨大电压增益会导致输出增加，这将通过电阻分压器反馈到反相输入。反相输入端电压升高将导致运算放大器输出降低，直到两个输入端具有相同的电压。因此，运算放大器的高增益加上负反馈使输入电压保持不变。

缓冲放大器

同相放大器的一个特例是缓冲放大器(也称为单位增益放大器或电压跟随器)，其电压增益为 1(图 3)。这相当于在非反相放大器配置中使R 2为零和 R 1无穷大。再次施加负反馈，使得运算放大器输入之间的电压为零。这构成了一个良好的缓冲放大器，输入端具有无限阻抗，输出端具有零阻抗。理想情况下，至少。

图 3缓冲放大器提供无限输入阻抗和零输出阻抗。

反相放大器

另一种常见的运算放大器电路是反相放大器(图 4)。顾名思义，输出电压被放大，极性与输入相反。

通过注意到运算放大器的两个输入将处于 0V 来分析该电路。同相输入连接到地，反相输入将通过电阻反馈驱动到相同的电压。我们还注意到，电流 ( i ) 流过两个电阻器，因为没有电流进入运算放大器的反相输入端。

重新排列以获得放大器的增益，

增益中的负号很重要，在应用电路时必须考虑。在某些情况下，这可能无关紧要，您可能只需要放大输入信号而不考虑极性变化。在其他情况下，极性可能很关键，您的信号最终可能会颠倒。

差分放大器

反相放大器和同相放大器可以组合成一个差分放大器(也称为差分放大器)，如图 5所示。

应用叠加，我们可以组合反相和同相放大器配置的增益方程。

用v 1代替 v in，反相增益保持不变：

v 2输入有一个额外的分压器，由 R 3和 R 4组成，因此增益方程变为：

结合这两个方程得到：

如果我们设置 R 1 = R 3和 R 2 = R 4，则等式简化为：

我们假设我们有理想的运算放大器，但我们没有说任何关于电阻的事情。这些电路的增益将取决于电阻器的实际值以及它们的容差。对于我们依赖匹配电阻值的差分放大器来说尤其如此。