本文將帶大家來復(fù)習(xí)一下運(yùn)算放大器，以及使用了運(yùn)算放大器的放大器電路和比較器。
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增大或減小模擬輸入信號來實(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
如圖1所示，運(yùn)算放大器的電路符號有正相輸入端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，在電路符號上沒有表示出來。
運(yùn)算放大器的主要功能是以高增益放大、輸出2個(gè)模擬信號的差值。我們將放大2個(gè)輸入電壓差的運(yùn)放稱為差動放大器。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并反相輸出的功能。“反相”的意思是正、負(fù)號顛倒。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。
我們來看一下這個(gè)反相放大器電路的工作過程。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)角度來看，當(dāng)反相輸入端（－）的輸入電壓上升時(shí)，輸出會被反相，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。
那么我們通過這個(gè)放大器電路中輸入與輸出的關(guān)系來計(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。我們可以通過改變電阻容易地改變增益。在具有高增益的運(yùn)算放大器上應(yīng)用負(fù)反饋，通過調(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，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。
我們來看一下這個(gè)電路的工作過程。首先，通過虛短路，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輸入是否達(dá)到規(guī)定值。也可以用運(yùn)算放大器來代替比較器，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。
比較器電路如圖4所示。我們來看一下這個(gè)電路的工作過程。首先應(yīng)該注意，這個(gè)電路中沒有正反饋也沒有負(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。
通過這個(gè)動作，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)誤動作的電壓領(lǐng)域），如圖5，Vin會產(chǎn)生一些噪波，但仍可穩(wěn)定動作。
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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)反饋動作中，從輸出返到輸入的信號越大，則輸出越小。于此相反，正反饋中，從輸出返到輸入的信號越大，則輸入越大。當(dāng)正反饋動作中增益大于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。
不穩(wěn)定多諧振蕩器電路
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。我們來看看這個(gè)電路中的動作。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。大家可能會覺得積分電路很難，實(shí)際上，我們可以將它簡單理解為，輸出在Vout上的電壓的一部分，緩緩儲存到電容器的一個(gè)過程電路。在初始狀態(tài)中，通過正反饋電路Vout迅速增大并達(dá)到最大值（VL）。
然后，通過R3和C構(gòu)成的積分電路，緩緩增加反相輸入端（－）。經(jīng)過一定時(shí)間，正相輸入端（＋）的電壓超過反相輸入端（－）電壓，相當(dāng)于在差動輸入上輸入負(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)過一定時(shí)間后，反相輸入端電壓超過正相輸入端（＋）的電壓，相當(dāng)于在差動輸入上輸入了正電壓，則Vout向正方向迅速變化。這個(gè)過程不斷重復(fù)，在Vout交替出現(xiàn)VL和－VL，從而實(shí)現(xiàn)振蕩電路動作。
