這篇文章主要是同相運(yùn)算放大器，主要是以下幾個方面：

同相運(yùn)算放大器是什么？

同相運(yùn)放電路原理

同相運(yùn)算電路圖講解

同相運(yùn)放計(jì)算公式

同相運(yùn)算電路分析

一、同相運(yùn)算放大器是什么？

同相運(yùn)算放大器是一種運(yùn)算放大器，其輸出電壓和輸入電壓同相。反饋是通過一個電阻從運(yùn)算放大器的輸出獲取到運(yùn)算放大器的反相輸入，另一個電阻接地。

這兩個電阻決定了反饋電壓，從而控制了運(yùn)算放大器電路的增益。下圖為基本同相運(yùn)算放大器。

基本同相運(yùn)算放大器電路圖

二、同相運(yùn)放電路原理

在同相運(yùn)放電路中，輸入電壓信號 ( VIN ) 直接施加到同相 (?+?) 輸入端，這意味著放大器的輸出增益在值上變?yōu)椤罢?，同相運(yùn)算放大器的反饋控制是通過將一小部分輸出電壓信號通過R? – R2分壓器網(wǎng)絡(luò)返回到反相 ( – ) 輸入端來實(shí)現(xiàn)的，從而再次產(chǎn)生負(fù)反饋。

這種閉環(huán)配置產(chǎn)生了一個同相放大器電路，具有非常好的穩(wěn)定性，非常高的輸入阻抗，Rin 接近無窮大，如下圖所示：

同相運(yùn)算電路圖

三、同相運(yùn)算電路圖講解

這里，我們通過構(gòu)建帶有反饋回路的運(yùn)算放大器電路來對同相運(yùn)算電路圖講解。如下圖所示：

同相運(yùn)算電路圖

在上述電路中，反相輸入端連接了一個外部電阻 R1和 反饋電阻 Rf?，F(xiàn)在，通過應(yīng)用基爾霍夫電流定律，可以得到：

同相運(yùn)放計(jì)算公式

假設(shè)施加到同相端的輸入電壓為 vi，并且假設(shè)電路中的運(yùn)算放大器是理想的運(yùn)算放大器，那么，

等式（i）可以重寫為：

同相運(yùn)放計(jì)算公式

同相運(yùn)放計(jì)算公式

同相運(yùn)放計(jì)算公式

電路的閉環(huán)增益為：

同相運(yùn)放計(jì)算公式

從同相運(yùn)算放大器的電壓增益表達(dá)式可以清楚地看出，當(dāng) Rf = 0 或 R 1 → ∝ 時，增益將為單位。

因此，如果我們將反饋路徑短路和/或打開反相引腳的外部電阻，則電路的增益變?yōu)?1。

四、同相運(yùn)放計(jì)算公式

電路的閉環(huán)增益為：

同相運(yùn)放計(jì)算公式

Rf 為反饋電阻，R1為外部電阻。

五、同相運(yùn)算放大器計(jì)算公式應(yīng)用案例

1、案例一：

對于以下同相放大器電路，計(jì)算以下：

流過負(fù)載電阻的電流

放大器增益

輸出電壓

o/p 電流

同相運(yùn)算放大器計(jì)算公式應(yīng)用案例圖

1.1 已知：Vin = 2V，R1 = 6 Ω，Rf= 10 Ω，RL = 3K Ω。

1）電流?I1

I1= Vin/R1= 2/6 = 0.33 mA

2）同相運(yùn)算放大器增益 Av 可以計(jì)算為：

Av= 1 + (Rf/R1)

= 1+ (10/6) = 2.66

3）o/p 電壓 VO

(VO) = ACL * VIN = 2.66 * 2V = 5.32V

VO = 5.32V

4）流經(jīng)負(fù)載電阻的電流 IL

IL = VO / RL = 5.32/3 = 1.773 mA

5）o/p 電流

可以通過將 KCL（基爾霍夫電流定律）應(yīng)用于上述電路來計(jì)算

IO = I1 + IL

IO = 0.33 mA + 1.773 mA => 1.28mA = 2.103mA

1.2 在同相放大器中，如果 R1 = 50 千歐，R2 = 1000 千歐且 Vin = 2v，則計(jì)算增益和輸出電壓。

增益和輸出電壓：

AV= 1 + (R2 / R1)

1+ (1000/50) = 1 + 20 => 21

如果輸入電壓 (Vin) 為 2v，則輸出電壓為：2 X 21 = 42v。

2、案例二

對于下圖所示的同相運(yùn)算放大器，計(jì)算如下：

i) 放大器的增益 ACL

ii)輸出電壓 VO

iii) 通過負(fù)載電阻的電流 I L

iv) 輸出電流 IO

同相運(yùn)算放大器計(jì)算公式應(yīng)用案例圖

節(jié)點(diǎn) A 位于運(yùn)算放大器的同相端，節(jié)點(diǎn) B 位于反相端（也是分壓器點(diǎn)）。上圖中未顯示這些節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn) B 的電位是 VIN，且虛擬短路：

V A = V B = V IN = 0.8 V

電流 I1 為

I 1 = V A / R 1 = 0.8V / 10 KΩ

I1 = 80 μA

由于運(yùn)算放大器的輸入電流為零，因此相同的 I1必須流過電阻 R f。

i) 同相放大器的增益

ACL = 1 + (R f / R 1 ) = 1 + (20 KΩ / 10 KΩ)

ACL = 3

ii) 輸出電壓

V O = A CL * V IN = 3 * 0.8V

VO = 2.4 V

iii) 通過負(fù)載電阻的電流

I L = V O / R L = 2.4 / (2 * 10 3 Ω)

I L = 1.2 mA

iv) 輸出電流

根據(jù)基爾霍夫電流定律 (KCL)， I O = I 1 + I L

I O = 80 μA + 1.2 mA

IO = 1.28 mA

六、同相運(yùn)算電路分析

1、同相電壓跟隨器

在同相電路中，輸入阻抗 Rin 增加到無窮大，反饋?zhàn)杩?R??減小到零。輸出直接連接回負(fù)反相輸入，關(guān)注公眾號“電路一點(diǎn)通” 因此反饋為 100%，Vin正好等于Vout，使其具有1或單位的固定增益。由于輸入電壓Vin被施加到非反相輸入，因此放大器的電壓增益為：

同相運(yùn)放公式

由于沒有電流流入同相輸入端，輸入阻抗是無限的（理想條件），因此零電流將流過反饋回路。因此，任何電阻值都可以放置在反饋回路中，而不會影響電路的特性，因?yàn)闆]有電流流過它，因此它兩端的電壓降為零，從而導(dǎo)致零功率損耗。

同相電壓跟隨器

由于輸入阻抗極高，單位增益緩沖器（電壓跟隨器）可用于提供大功率增益，因?yàn)轭~外功率來自運(yùn)算放大器電源軌并通過運(yùn)算放大器輸出到負(fù)載，而不是直接從輸入。

然而，在大多數(shù)實(shí)際單位增益緩沖電路中都存在泄漏電流和寄生電容，因此反饋回路中需要一個低阻值（通常為 1kΩ）電阻，以幫助減少這些泄漏電流的影響，從而提供穩(wěn)定性，尤其是在運(yùn)算放大器為電流反饋類型。

2、交流耦合同相放大器

在大多數(shù)情況下，可以對電路進(jìn)行直流耦合。在需要交流耦合的情況下，有必要確保非反相器件具有一條直流到地路徑，以用于偏置 IC 內(nèi)的輸入設(shè)備所需的非常小的輸入電流。

這可以通過將圖中的高阻值電阻 R3 接地來實(shí)現(xiàn)，如下所示。該值通?？梢詾?100kΩ 或更大。如果未插入此電阻器，則運(yùn)算放大器的輸出將被驅(qū)動到電壓軌之一。

具有電容耦合輸入的基本同相運(yùn)算放大器電路

通過這種方式插入電阻時，要記住電容-電阻組合 C1 / R3 形成具有截止頻率的高通濾波器。截止點(diǎn)出現(xiàn)在電容電抗等于電阻的頻率上。

同樣，應(yīng)選擇輸出電容，使其能夠通過系統(tǒng)所需的最低頻率。在這種情況下，運(yùn)算放大器的輸出阻抗會很低，因此最大的阻抗可能是下一級的阻抗。

3、單電源同相放大器

運(yùn)算放大器電路通常設(shè)計(jì)為采用雙電源供電，例如 +9V 和 -9V。但這沒有那么容易實(shí)現(xiàn)，因此使用電子電路設(shè)計(jì)的單端或單電源版本通常很方便，可以通過創(chuàng)建通常稱為半供電軌的方式來實(shí)現(xiàn)。

同相運(yùn)算放大器電路偏置在軌電壓的一半。通過將工作點(diǎn)設(shè)置在該電壓，可以在輸出上獲得最大擺幅，而不會出現(xiàn)削波。

單電源軌非反相運(yùn)算放大器電路

使用此電路時有幾點(diǎn)需要注意：

偏置電壓：?同相放大器的偏置電壓由 R3 和 R4 設(shè)置。通常運(yùn)算放大器本身的輸入阻抗會高于電阻，因此可以忽略不計(jì)。通常，偏置電壓設(shè)置為軌電壓的一半，以使輸出能夠在任一方向上均等擺動而不會發(fā)生削波。R3 和 R4 通常是相同的值。

輸入阻抗：這種布置的輸入阻抗將低于運(yùn)算放大器本身的輸入阻抗。整個同相放大電路的輸入阻抗為 R3 并聯(lián)，R4與運(yùn)放的輸入阻抗并聯(lián)。實(shí)際上，這通常等于 R3 與 R4 并聯(lián)，即 (R3 x R4) / R3 + R4)。

電容 C3：?電容 C3 的漏電流必須非常低，否則漏電流會擾亂電路并流入軌道。電解電容不能在這個位置工作，因?yàn)樗鼈兊穆╇娏魈撸娐窌M(jìn)入供電軌。

輸入和輸出電容：與任何電子電路設(shè)計(jì)一樣，必須選擇輸入和輸出電容以通過最低頻率而不會過度衰減。

4、具有兩個電壓源的同相運(yùn)算放大器

包含兩個電壓源配置的同相運(yùn)算放大器稱為求和放大器或加法器。所以這是運(yùn)算放大器最重要的應(yīng)用之一。在求和放大器電路中，使用了多個電壓源。

同相求和放大器電路使用同相運(yùn)算放大器電路的配置。在這種情況下，輸入被提供給非反相端子，而必要的負(fù)反饋和增益可以通過將 o/p 信號的某些部分作為反饋給反相端子來獲得。

同相求和放大器電路的主要優(yōu)點(diǎn)是輸入端沒有有效的接地條件。其輸入阻抗遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)反相放大器配置。因此，具有兩個電壓源的同相運(yùn)算放大器中的電流可以定義為：

具有兩個電壓源的同相運(yùn)算放大器

根據(jù) KCL

IR1 + IR2 = 0

(V1-V+/R1) + (V2-V+/R2 = 0

上式可以寫成

(V1/R1-V+/R1) + (V2/R2-V+/R2) = 0

如果我們使上述兩個電阻相等，則 R1=R2=R

V+ = (V1/R + V2/R)(1/R+1/R) => (V1+V2/R)/2/R

因此，V+ = (V1 + V2/2)

同相求和放大器電路的典型電壓增益方程可以表示為：

Av = Vout/Vin = Vout/V+ = 1+RA/RB

Vout = (1+RA/RB)*V+

因此，Vout = (1+RA/RB) V+V2/2

同相放大器的閉環(huán)電壓增益為 AV，由 (1 + R /R) 給出。如果我們通過使 R = R 使其等于 2，則 Vout 等于所有輸入電壓之和：

Vout = (1+RA/RB) V+V2/2

如果 RA = RB 那么

Vout = (1+1) V+V2/2 => 2 (V1+V2)/2

所以，Vout = V+V2

同樣，對于 3 個輸入電壓同相求和放大器配置，閉環(huán)電壓增益設(shè)置為 3，以使輸出電壓等于 3 個輸入電壓之和，如 V1、V2 和 V3。

七、同相運(yùn)算放大器的優(yōu)缺點(diǎn)

1、同相運(yùn)算放大器的優(yōu)點(diǎn)

可以在沒有相位反轉(zhuǎn)的情況下獲得輸出信號

電壓增益是可變的

電壓增益為正

使用同相放大器可以獲得更好的阻抗匹配

與反相放大器相比，i/p 的阻抗值較高

該運(yùn)算放大器電路提供最大輸入阻抗，包括其他運(yùn)算放大器優(yōu)勢

這種配置最常用于不同的電子設(shè)備

2、同相運(yùn)算放大器的缺點(diǎn)

與反相運(yùn)算放大器相比，同相運(yùn)算放大器不能為系統(tǒng)提供更高的穩(wěn)定性

根據(jù)獲得所需增益的必要性來使用級數(shù)

根據(jù)特定的放大器，輸入和輸出電阻會發(fā)生變化

放大電路沒有虛地，所以共模電壓大，抗干擾能力比較差。這樣運(yùn)算放大器就需要更高的共模抑制比，而另一個缺點(diǎn)是放大倍數(shù)只能大于1

審核編輯：湯梓紅