當我們在進行信號處理的時候難免會遇到進行將信號放大的情況，這時候就得需要我們自己去設(shè)計搭建電路來設(shè)計合適的放大電路，我想對于任何一個電子愛好者在對于這種設(shè)計都會有種經(jīng)歷，或許還有一些感情摻雜在里面，包含我們曾經(jīng)奮斗的時光記憶，今天我就給大家講述幾種最基本的運算放大電路：

反向比例運算電路

上圖既是我們最基本的反向運算比例電路的電路圖，電路圖中的ui是輸入信號，uo是輸出信號，在這里輸入信號經(jīng)過運算放大器的放大從輸出端輸出，在這里我們的放大倍數(shù)可以通過Rf/R1來表示出來，至于R1的大小最好選的稍大一點，大概幾千歐左右的樣子，目的是為了能有更多的信號輸入進來。

這里我們可以舉個例子，假設(shè)R1大小為10KΩ，Rf的大小為100KΩ，那么輸出信號就是輸入信號的十倍，在這里我們完全可以通過改變這兩個電阻的大小比值來改變放大倍數(shù)。

至于為什么要叫它反相比例電路，不知道大家注意到了沒有，ui實際上是和運放的負極相連的，而輸出端是正極，所以輸入信號和輸出信號的方向正好相反，因此就稱作反相比例電路。

除了單個運放還有兩極的甚至三級及以上的運放，讀者可自己拓展。

同相比例運算電路

除了上述列出的那一種還有一個與它剛好相反的同相比例運算電路，來看下原理圖

同相比例運算電路和反相比例運算電路有一個很大的區(qū)別就在輸入端改變了，這里把輸入端放到運算正極處了，輸出端沒有變，根據(jù)上一個電路的介紹在這里我們也很容易就能理解，為什么叫做同相比例運算電路，無外乎就是輸入線號方向和輸出信號方向相同唄。

但是這里的放大倍數(shù)與上一個電路的計算方式會有不同，這里的放大倍數(shù)計算公式為1+Rf/R1，我們也可以看出同樣的電阻同相比例運算電路比反相比例運算電路放大倍數(shù)會稍微大一點點。

當然同相比例運算電路也不限于一級，也有多級的，電路搭建和第一個類似。這兩種電路供大家參考，大家在使用的時候可以擇優(yōu)選擇。

差分放大電路

圖2.3 差分放大電路

圖2.3為差分放大電路，它是圖2.2反相比例放大電路的“變種”。類似與反相比例放大電路的分析方法，可以得到結(jié)論：

當R1=R3并且R2=R4時，得到等式2.5。這就是此電路命名的由來，它可以對差分信號進行放大。

同相放大電路

上文介紹的放大電路會引起相位翻轉(zhuǎn)180°，圖2.4為同相放大電路，顧名思義，輸出和輸入保持相同的相位。理想的運放具有輸入阻抗無窮大，輸出阻抗無窮小的特點，同相放大電路保持了運放的這種特性。

圖2.4 同相放大電路

分析圖2.4，應(yīng)用運放的“虛短”，可知V2=V1;此外，因為運放的“虛斷”，輸出電壓的電流全部流經(jīng)R2和R1，因此V2由R1和R2對Vout分壓得到。

因此，

調(diào)節(jié)R2可以電路的放大倍數(shù)。

注意，同相放大電路的應(yīng)用場合具有局限性，一般只用于直流電平的放大，不適合用于交流信號的放大，因為它會將交流信號的直流偏置電壓一并放大，從而使其偏置電位發(fā)生偏移。帶參考電平的反相比例放大電路在信號放大時比較有實用性。

實際上只是在圖2.3的差分放大器的基礎(chǔ)上加一個隔直電容C1,具體原理待日后講解有源濾波器時再分析。

電壓跟隨電路

圖2.5 電壓跟隨電路

圖2.5是運放的一種特殊應(yīng)用方式，很容易得到結(jié)論Vout=Vin。輸出電壓跟隨輸入電壓，因此稱之為“電壓跟隨器”。

電壓跟隨電路是圖2.4同相放大電路的衍生產(chǎn)物，是放大倍數(shù)為1的同相放大電路。前文已介紹理想的同相放大電路的輸入阻抗無窮大，輸出阻抗無窮小。

基于此特性，電壓跟隨電路一般用于信號的隔離。簡單舉例說明，如圖2.6，由R1和R2產(chǎn)生參考電壓供給下一級電路使用，因為下一級電路的等效內(nèi)阻會影響R1和R2的分壓比，因此參考電壓將會發(fā)生變化，如果內(nèi)阻不是固定的，則此電路將無法使用。

圖2.6 不可靠的參考電壓電路

比較可靠的設(shè)計如圖2.7所示：

圖2.7 可靠的參考電壓電路

儀器放大電路

圖2.8 儀器放大電路

圖2.8是典型的儀器放大電路，顧名思義此方法電路使用于小信號的放大，一般用于傳感器信號的放大。傳感器的輸出信號很小，一般只有幾毫伏到幾十毫伏。

電路由兩級放大電路組成，第一級由A1,A2組成，同相輸入，輸入阻抗高，電路結(jié)構(gòu)對稱，可很好的抑制零點漂移;第二級由A3組成，良好的共模抑制比，輸入阻抗高，增益在大范圍內(nèi)可調(diào)。

選值要求：R4=R5,R6=R7,R8=R9(保持電路的對稱性)，R3為可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)電路增益。電路輸入輸出的關(guān)系式如下：

推導(dǎo)過程：

實際上，儀器放大電路是前文所述的同相放大電路及差分放大電路的綜合體。分析方法可以參考前文的闡述。

(1)、首先分析由A1和A2組成的同相放大電路。

由“虛短”及“虛斷”原則，推導(dǎo)得到：

(2)、進一步分析由A3組成的差分放大電路。

由“虛短”及“虛斷”原則，推導(dǎo)得到：

(3)、聯(lián)合等式2.9和2.10得到結(jié)論：

比較器

1)、簡單的比較器

圖2.9 簡單的比較器

圖2.9是最簡單的比較器電路，它利用的原理是“理想的運放具有無窮大的增益”。因此，V+與V-之間稍有電壓差，即可引起輸出的翻轉(zhuǎn)。微弱的電壓差經(jīng)運放放大引起輸出飽和。

Av為運放的開環(huán)放大倍數(shù)(一般為100dB左右，即十萬倍)。當V+大于V-時，輸出為正飽和(接近VCC，但是無法達到);當V-大于V+時，輸出為負飽和(接近-VSS，但是無法達到)。連接V+至地，構(gòu)成過零比較器，如圖2.10所示。

圖2.10 過零比較器

圖2.10的過零比較器雖然簡單，但是并不實用，它的問題在于比較器只有一個臨界電壓，輸入信號上的雜波易引起輸出誤操作，如圖2.11所示。

圖2.11，信號雜波引起的比較器誤操作

2)、遲滯比較器(The hysteresis comparator)

相對于上文所述的簡單比較器，比較實用的是遲滯比較器，如圖2.12所示。

圖2.12，遲滯比較器

相比簡單比較器，遲滯比較器只是增加了一個電阻R2。這將引起怎樣的微妙變化呢?

通俗地說，R2在輸入與輸出之間搭起了一座橋梁，輸出的變化可以通過R2傳遞至輸入，然后比較器的閾值將隨輸出的變化而改變，達到了磁滯的目的。

如果需要定量分析，所有的比較器的原理都是一樣的，利用運放的放大倍速為“無窮大”，將V+與V-之間的微弱電壓差進行放大，達到飽和輸出。所以，首先計算比較器的臨界電壓值(V+)，得到等式2.11。

顯然，R2的作用是將輸出電壓引入臨界電壓。因為Vout會有兩種狀態(tài)+Vsat和-Vsat,所以遲滯比較器也將有兩個臨界電壓(Vth_H及Vth_L)。

表格2.1，遲滯比較器的狀態(tài)表

表格2.1可以很好的解釋遲滯比較器的工作原理，圖2.8是另一種有效的表達遲滯比較器工作原理的方式。設(shè)計合適的Vth_H及Vth_L，使(Vth_H-Vth_L)大于雜波幅值，可以有效的避免因為輸入信號上的雜波引起的誤操作。

圖2.13，遲滯比較器的狀態(tài)矢量圖

3)、窗口比較器

窗口比較器用于判別輸入電壓是否落在某一個范圍之內(nèi)，圖2.14是典型的窗口比較器。

其中，URH>URL，D1和D2不能省略，防止兩個運放輸出電平相反時損壞運放。比如，運放A1輸出VOH，但是運放A2輸出VOL,D1導(dǎo)通，但是D2截止，因此電流不會從A1流入A2,避免大電流損壞器件。

圖2.14，窗口比較器

窗口比較的工作原理如圖2.15所示。

1)、Uin>URH>URL，A1輸出UOH,A2輸出UOL，D1導(dǎo)通，D2截止，Uout=UOH;

2)、Uin

3)、URL< Uin

圖2.15，窗口比較器的邏輯

審核編輯：湯梓紅