运放-3.基本电路

原创 HGno1 2023-08-18 21:24

TI MCU方案：能源基础设施实时控制 【TI资料】基于新型C29内核的MCU技术资料

-----前文导读-----

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-----本文简介-----

主要内容包括：

①：同相放大电路

②：反向放大电路

③：差分放大电路

④：仪表放大电路

⑤：电压跟随器

-----正文-----

一、同相放大电路

图1 同相放大电路

同相放大电路的作用是将输入信号进行放大，输出正负号与输入信号相同，其Vout = Vin*（1+R2/R1），下面利用其虚短与虚断特性（点击了解），通过分析证明。

可以看出，输出电压与输入电压的正负号是相同的，因此叫同相放大电路；其次也可以看出，输出电压永远是大于等于输入电压的，因此同相放大电路只能用来放大不能用来衰减。

同时由此也可以认识到，在这样的闭环负反馈条件下工作的运放电路，只要改变电阻R1与R2的比值，就可以在一定范围内任意调整放大倍数，而如果只让运放工作在开环状态，那么放大倍数就由运放自身决定，而运放自身放大倍数极大，很难设计想要的放大电路。

二、反相放大电路

图2 反相放大电路

反向放大电路的作用是将输入信号进行放大或者衰减，输出正负号与输入信号相反，其Vout = - Vin* R2/R1，下面利用其虚短与虚断特性（点击了解），通过分析证明。

可以看出，反相放大电路输出电压与输入电压正负号相反，因此称之为反相放大电路；同时也可以看出只要R1的阻值大于R2，那么反向放大电路也可以用来衰减电压。

三、差分放大电路

图3 差分放大电路

差分放大电路也叫减法电路，因为在一定条件下，输出电压等于两输入电压之差。其作用相当广泛，例如电流采样等，后续会专门写文章介绍。这里不再具体分析推导过程，下面说结论。

可以看出，差分放大电路，通过调整外围电阻阻值，既可只进行减法运算，也可在进行减法运算的同时对差值进行放大或者衰减。

如果将差分放大电路R4的接地端替换为基准电压Vref，那么会产生另外一种结果：输出电压将在原有基础上加上此基准电压Vref。这种电路在无负电源供电的系统中有很大作用，此后文章会介绍。

图4 加入基准电压的差分放大电路

四、仪表放大电路

仪表放大电路是由差分放大电路演变而来，由于差分放大电路输入阻抗由外部电阻决定，而外部电阻不会太大，所以信号输入时会有电流流入差分放大电路，造成输入信号失真，因此设计了三个运放构成的仪表放大电路，输入级由两个运放构成，输入信号直接输入运放的同相输入端，因此无电流流入运放，不会造成输入信号失真。

图5 仪表放大电路

由于仪表放大器优异的性能，市面上有集成的仪表运放IC，如TI的INA826，其逻辑框图如下图6，通过调整外部Rg的阻值，即可调整放大倍数，同时支持单电源供电。

图6 集成仪表放大器

实际的仪表运算放大电路不仅仅是确定放大倍数这么简单，其共模、差模、输入电压与供电电源之间的关系还有深度考究，后续会有专门的文章去介绍仪表放大器。

五、电压跟随器

实际电路中，如果前一级的输出阻抗大，后一级的输入阻抗小，直接相连时，由于电阻分压作用，信号会出现失真，此时正确的做法是进行阻抗匹配，那么就需要用到电压跟随器。

图7 电压跟随器

电压跟随器的特点很明显，输入电压等于输出电压，输入阻抗极大，输出阻抗极小，意味着其既不从前级吸收电流，也不会对后级电路分压。那么如何体现这个说法呢，我们以前文提到的差分放大电路为例做一个仿真。

图8 差分放大电路仿真

图8的差分放大电路仿真结果符合前文的公式计算结果Vout=V2-V1=2V，那当我们用下方的电阻分压得到的5V电压为这个差分放大电路提供一个5V的偏置，其输出结果会是预期的2+5=7V吗？结果如图9。

图9 差分放大电路加入偏置

很显然，结果不符合预期，原本的5V分压变成了6.4V，差分放大电路输出随之也变成了8.4V，这就是阻抗不匹配的原因，不仅电源V3的电流经过了R6，差分放大电路的电流也通过R4经过了R6，造成R6分压比预期高。因此我们需要在分压电路和差分电路之间加一个电压跟随器匹配阻抗。如下图10，加了电压跟随器之后每个点的电压和差分放大电路的输出电压均符合预期。