-----本文簡介-----

主要內(nèi)容包括：

個(gè)人公眾號：硬件之路學(xué)習(xí)筆記

①：同相放大電路

②：反向放大電路

③：差分放大電路

④：儀表放大電路

⑤：電壓跟隨器

-----正文-----

一、同相放大電路

圖1 同相放大電路

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同相放大電路的作用是將輸入信號進(jìn)行放大，輸出正負(fù)號與輸入信號相同，其Vout = Vin*（1+R2/R1），下面利用其虛短與虛斷特性（點(diǎn)擊了解），通過分析證明。

可以看出，輸出電壓與輸入電壓的正負(fù)號是相同的，因此叫同相放大電路；其次也可以看出，輸出電壓永遠(yuǎn)是大于等于輸入電壓的，因此同相放大電路只能用來放大不能用來衰減。

同時(shí)由此也可以認(rèn)識到，在這樣的閉環(huán)負(fù)反饋條件下工作的運(yùn)放電路，只要改變電阻R1與R2的比值，就可以在一定范圍內(nèi)任意調(diào)整放大倍數(shù)，而如果只讓運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)，那么放大倍數(shù)就由運(yùn)放自身決定，而運(yùn)放自身放大倍數(shù)極大，很難設(shè)計(jì)想要的放大電路。

二、反相放大電路

圖2反相放大電路

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反向放大電路的作用是將輸入信號進(jìn)行放大或者衰減，輸出正負(fù)號與輸入信號相反，其Vout = -Vin* R2/R1，下面利用其虛短與虛斷特性（點(diǎn)擊了解），通過分析證明。

可以看出，反相放大電路輸出電壓與輸入電壓正負(fù)號相反，因此稱之為反相放大電路；同時(shí)也可以看出只要R1的阻值大于R2，那么反向放大電路也可以用來衰減電壓。

三、差分放大電路

圖3 差分放大電路

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差分放大電路也叫減法電路，因?yàn)樵谝欢l件下，輸出電壓等于兩輸入電壓之差。其作用相當(dāng)廣泛，例如電流采樣等，后續(xù)會專門寫文章介紹。這里不再具體分析推導(dǎo)過程，下面說結(jié)論。

可以看出，差分放大電路，通過調(diào)整外圍電阻阻值，既可只進(jìn)行減法運(yùn)算，也可在進(jìn)行減法運(yùn)算的同時(shí)對差值進(jìn)行放大或者衰減。

如果將差分放大電路R4的接地端替換為基準(zhǔn)電壓Vref，那么會產(chǎn)生另外一種結(jié)果：輸出電壓將在原有基礎(chǔ)上加上此基準(zhǔn)電壓Vref。這種電路在無負(fù)電源供電的系統(tǒng)中有很大作用，此后文章會介紹。

圖4加入基準(zhǔn)電壓的差分放大電路

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四、儀表放大電路

儀表放大電路是由差分放大電路演變而來，由于差分放大電路輸入阻抗由外部電阻決定，而外部電阻不會太大，所以信號輸入時(shí)會有電流流入差分放大電路，造成輸入信號失真，因此設(shè)計(jì)了三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大電路，輸入級由兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成，輸入信號直接輸入運(yùn)放的同相輸入端，因此無電流流入運(yùn)放，不會造成輸入信號失真。

圖5儀表放大電路

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由于儀表放大器優(yōu)異的性能，市面上有集成的儀表運(yùn)放IC，如TI的INA826，其邏輯框圖如下圖6，通過調(diào)整外部Rg的阻值，即可調(diào)整放大倍數(shù)，同時(shí)支持單電源供電。

圖6集成儀表放大器

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實(shí)際的儀表運(yùn)算放大電路不僅僅是確定放大倍數(shù)這么簡單，其共模、差模、輸入電壓與供電電源之間的關(guān)系還有深度考究，后續(xù)會有專門的文章去介紹儀表放大器。

五、電壓跟隨器

實(shí)際電路中，如果前一級的輸出阻抗大，后一級的輸入阻抗小，直接相連時(shí)，由于電阻分壓作用，信號會出現(xiàn)失真，此時(shí)正確的做法是進(jìn)行阻抗匹配，那么就需要用到電壓跟隨器。

圖7電壓跟隨器

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電壓跟隨器的特點(diǎn)很明顯，輸入電壓等于輸出電壓，輸入阻抗極大，輸出阻抗極小，意味著其既不從前級吸收電流，也不會對后級電路分壓。那么如何體現(xiàn)這個(gè)說法呢，我們以前文提到的差分放大電路為例做一個(gè)仿真。

圖8 差分放大電路仿真

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圖8的差分放大電路仿真結(jié)果符合前文的公式計(jì)算結(jié)果Vout=V2-V1=2V，那當(dāng)我們用下方的電阻分壓得到的5V電壓為這個(gè)差分放大電路提供一個(gè)5V的偏置，其輸出結(jié)果會是預(yù)期的2+5=7V嗎？結(jié)果如圖9。

圖9 差分放大電路加入偏置

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很顯然，結(jié)果不符合預(yù)期，原本的5V分壓變成了6.4V，差分放大電路輸出隨之也變成了8.4V，這就是阻抗不匹配的原因，不僅電源V3的電流經(jīng)過了R6，差分放大電路的電流也通過R4經(jīng)過了R6，造成R6分壓比預(yù)期高。因此我們需要在分壓電路和差分電路之間加一個(gè)電壓跟隨器匹配阻抗。如下圖10，加了電壓跟隨器之后每個(gè)點(diǎn)的電壓和差分放大電路的輸出電壓均符合預(yù)期。

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----總結(jié)----

本文簡單介紹了最常見的運(yùn)放電路，也提到了關(guān)于阻抗匹配的概念，但是這些電路實(shí)際運(yùn)用遠(yuǎn)沒有這么簡單，將會在后續(xù)介紹完相關(guān)概念后進(jìn)一步介紹這些電路的實(shí)際應(yīng)用。此外還有一些電路沒有提到，例如積分電路、微分電路、求和電路等，這些電路隨后也會介紹。

審核編輯：湯梓紅