电子技术的里程碑,带你走进运算放大器的奇妙世界

运算放大器(简称运放)的发明使得电子技术进入了“运算”时代,直接促使了电子计算机的诞生,它也因此而得名“运算放大器”。我们先来看看常见的运放“核心”是怎么样的。

在闭环的结构当中,运放内部的镜像电路总是企图维持两端电流的平衡,一旦失衡,它就会通过调节输出端(output)的电流形态,进一步通过反馈环路来检测输入(input)两端的状态,直到出现新的平衡,此时的运放就得到一个稳定的输出状态。我们可以根据这个原理来分析运放的经典应用电路。

缓冲器的配置

这是一个经典的缓冲器方案,也可以称作电压跟随器(输出电流的能力与运放内部的输出结构有关)。我们根据上述的镜像原理,运放输入两端的电压可以看成是相等的(严格来说是动态平衡),因此我们可以直接得出Vin=Vout的结论。

同相与反相

先来看同相的配置,由于在反馈环路中增加了电阻分压器,可以精准地控制返回到输入端的电压值。因此可以得出增益的计算公式G=Rf/R1+1;同理可以得出反相配置的增益G=-Rf/R1。这里的“同相”指的是信号源接运放的正端,与输出信号的相位相同;“反相”是指信号源接运放的负端,与输出信号的相位相反

加法器配置

明白了单路同相与反相的配置原理,对于多路的信号输入,我们可以直接按照加法来计算,“加法器”的称谓由此而来。先看反相加法的配置,把多路信号叠加起来就变成:

Vout=-Rf(V1/R1+V2/R2+...+Vn/Rn)

此时如果R1=R2=...=Rn,则:

Vout=-Rf(V1+V2+...+Vn)/R1

再来看同相加法配置,

假设R1=R2=...=Rn,同理可得:

Vout=(Rf/Rin+1)(V1/N+V2/N+...+Vn/N)

其中N=输入电阻器的数量。

以上就是通过运算放大器的基本原理衍生出的应用,无论是多复杂的电路,都离不开这些基本规则,简单说就是反馈形式的变种,由此赋予了运放具备多种形式的“运算”功能。下一篇我计划把今天的内容展开,详细分析引入了滤波器的运放计算与噪声问题,欢迎各位继续关注

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