學(xué)好嵌入式系統(tǒng)電路入門之——運(yùn)算放大器

　　方便多用途的集成電路 — 運(yùn)算放大器

　　運(yùn)算放大器是一種可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的放大電路。運(yùn)算放大器不僅可以通過(guò)增大或減小模擬輸入信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)放大，還可以進(jìn)行加減法以及微積分等運(yùn)算。所以，運(yùn)算放大器是一種用途廣泛，又便于使用的集成電路。

　　圖1：運(yùn)算放大器的電路符號(hào)

　　如圖1所示，運(yùn)算放大器的電路符號(hào)有正相輸入端Vin(+)和反相輸入端Vin(-)兩個(gè)輸入引腳，以及一個(gè)輸出引腳Vout。實(shí)際上運(yùn)算放大器還有電源引腳(+電源、-電源)和偏移輸入引腳等，在電路符號(hào)上沒(méi)有表示出來(lái)。

　　運(yùn)算放大器的主要功能是以高增益放大、輸出2個(gè)模擬信號(hào)的差值。我們將放大2個(gè)輸入電壓差的運(yùn)放稱為差動(dòng)放大器。當(dāng)Vin(+)電壓較高時(shí)，正向放大輸出。當(dāng)Vin(-)電壓較高時(shí)，負(fù)向放大輸出。此外，運(yùn)算放大器還具有輸入阻抗極大和輸出阻抗極小的特征。

　　即使輸入信號(hào)的差很小，由于運(yùn)算放大器有極高的放大倍數(shù)，所以，也會(huì)導(dǎo)致輸出最大或最小電壓值。因此，常常要加負(fù)反饋后使用。下面讓我們來(lái)看一個(gè)使用了負(fù)反饋的放大器電路。

　　運(yùn)算放大器的基本① - 反相放大器電路

　　圖2：反相放大器電路

　　如圖2所示，反相放大器電路具有放大輸入信號(hào)并反相輸出的功能。“反相”的意思是正、負(fù)號(hào)顛倒。這個(gè)放大器應(yīng)用了負(fù)反饋技術(shù)。所謂負(fù)反饋，即將輸出信號(hào)的一部分返回到輸入，在圖2所示電路中，象把輸出Vout經(jīng)由R2連接(返回)到反相輸入端(-)的連接方法就是負(fù)反饋。

　　我們來(lái)看一下這個(gè)反相放大器電路的工作過(guò)程。運(yùn)算放大器具有以下特點(diǎn)，當(dāng)輸出端不加電源電壓時(shí)，正相輸入端(+)和反相輸入端(-)被認(rèn)為施加了相同的電壓，也就是說(shuō)可以認(rèn)為是虛短路。所以，當(dāng)正相輸入端(+)為0V時(shí)，A點(diǎn)的電壓也為0V。根據(jù)歐姆定律，可以得出經(jīng)過(guò)R1的I1=Vin/R1。

　　另外，運(yùn)算放大器的輸入阻抗極高，反相輸入端(-)中基本上沒(méi)有電流。因此，當(dāng)I1經(jīng)由A點(diǎn)流向R2時(shí)，I1和I2電流基本相等。由以上條件，對(duì)R2使用歐姆定律，則得出Vout=-I1×R2。I1為負(fù)是因?yàn)镮2從電壓為0V的點(diǎn)A流出。換一個(gè)角度來(lái)看，當(dāng)反相輸入端(-)的輸入電壓上升時(shí)，輸出會(huì)被反相，向負(fù)方向大幅度放大。由于這個(gè)負(fù)方向的輸出電壓經(jīng)由R2與反相輸入端相連，因此，會(huì)使反相輸入端(-)的電壓上升受阻。反相輸入端和正相輸入端電壓都變?yōu)?V，輸出電壓穩(wěn)定。

　　那么我們通過(guò)這個(gè)放大器電路中輸入與輸出的關(guān)系來(lái)計(jì)算一下增益。增益是Vout和Vin的比，即Vout/Vin=(-I1×R2)/(I1×R1)=-R2/R1。所得增益為-表示波形反相。

　　在這個(gè)算公式中需要特別注意的地方是，增益僅由R1和R2電阻比決定。也就是說(shuō)。我們可以通過(guò)改變電阻容易地改變?cè)鲆?。在具有高增益的運(yùn)算放大器上應(yīng)用負(fù)反饋，通過(guò)調(diào)整電阻值，就可以得到期望的增益電路。

　　運(yùn)算放大器的基本② — 正相放大器電路

　　圖3：正相放大器電路

　　與反相放大器電路相對(duì)，圖3所示電路叫做正相放大器電路。與反相放大器電路最大的不同是，在正相放大器電路中，輸入波形和輸出波形的相位是相同的，以及輸入信號(hào)是加在正相輸入端(+)。與反相放大器電路相同的是，兩個(gè)電路都利用了負(fù)反饋。

　　我們來(lái)看一下這個(gè)電路的工作過(guò)程。首先，通過(guò)虛短路，正相輸入端(+)和反相輸入端(-)的電壓都是Vin，即點(diǎn)A電壓為Vin。根據(jù)歐姆定律，Vin=R1×I1。另外，運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端上基本沒(méi)有電流，所以I1=I2。而Vout為R1與R2電壓的和，即Vout=R2×I2+R1×I1。整理以上公式可得到增益G，即G=Vout/Vin=(1+R2/R1)。

　　如果撤銷這個(gè)電路中的R1，將R2電阻變?yōu)?Ω或者短路，則電路變?yōu)樵鲆鏋?的電壓跟隨器。這種電路常用于阻抗變換和緩沖器中。

　　輸入值的判定 — 比較器

　　Comparator也可稱為比較器，比較兩個(gè)電壓的大小，然后輸出1(+側(cè)的電源電壓，圖示為VDD)或0(-側(cè)的電源電壓)。比較器常常用于檢測(cè)輸入是否達(dá)到規(guī)定值。也可以用運(yùn)算放大器來(lái)代替比較器，但一般情況下使用專用的比較器IC。比較器和運(yùn)算放大器使用相同電路符號(hào)。

　　比較器電路如圖4所示。我們來(lái)看一下這個(gè)電路的工作過(guò)程。首先應(yīng)該注意，這個(gè)電路中沒(méi)有正反饋也沒(méi)有負(fù)反饋。放大Vin和VREF的差值，從Vout輸出。例如，Vin大于VREF時(shí)，放大輸出的Vout上升至+側(cè)的電源電壓，達(dá)到飽和。Vin小于VREF時(shí)，輸出Vout下降至-側(cè)電源電壓達(dá)到飽和。

　　通過(guò)這個(gè)動(dòng)作，Vin和VREF的比較結(jié)果在Vout上輸出。

　　實(shí)際應(yīng)用中，一般使圖4電路上產(chǎn)生滯后(用于防止錯(cuò)誤動(dòng)作的電壓領(lǐng)域)，如圖5，Vin會(huì)產(chǎn)生一些噪波，但仍可穩(wěn)定動(dòng)作。

　　圖4：比較器電路

　　圖5：有滯后效應(yīng)的比較器電路

　　利用正反饋的發(fā)振電路

　　負(fù)反饋動(dòng)作中，從輸出返到輸入的信號(hào)越大，則輸出越小。于此相反，正反饋中，從輸出返到輸入的信號(hào)越大，則輸入越大。當(dāng)正反饋動(dòng)作中增益大于1時(shí)，電路振蕩。將這種振蕩合理利用到電路中，就形成振蕩電路。

　　圖6的不穩(wěn)定多諧振蕩器就是一個(gè)振蕩電路。

　　圖6：不穩(wěn)定多諧振蕩器電路

　　+側(cè)最大值VL和-側(cè)最大值VL都是不穩(wěn)定的，兩個(gè)數(shù)值不斷變化，因此稱之為不穩(wěn)定。我們來(lái)看看這個(gè)電路中的動(dòng)作。首先，輸出Vout經(jīng)由R2反饋至正相輸入端(+)，這是一個(gè)正反饋電路。然后在輸入Vout上應(yīng)用R3和C，這是一個(gè)積分電路。大家可能會(huì)覺(jué)得積分電路很難，實(shí)際上，我們可以將它簡(jiǎn)單理解為，輸出在Vout上的電壓的一部分，緩緩儲(chǔ)存到電容器的一個(gè)過(guò)程電路。在初始狀態(tài)中，通過(guò)正反饋電路Vout迅速增大并達(dá)到最大值(VL)。

　　然后，通過(guò)R3和C構(gòu)成的積分電路，緩緩增加反相輸入端(-)。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，正相輸入端(+)的電壓超過(guò)反相輸入端(-)電壓，相當(dāng)于在差動(dòng)輸入上輸入負(fù)電壓，則Vout在負(fù)側(cè)上迅速增大達(dá)到-VL。Vout變?yōu)樨?fù)，通過(guò)R3和C構(gòu)成的積分電路，反相輸入端(-)電壓緩緩增大。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，反相輸入端電壓超過(guò)正相輸入端(+)的電壓，相當(dāng)于在差動(dòng)輸入上輸入了正電壓，則Vout向正方向迅速變化。這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，在Vout交替出現(xiàn)VL和-VL，從而實(shí)現(xiàn)振蕩電路動(dòng)作。