上篇我們了解了運(yùn)算放大器在使用之前的一些重要注意事項(xiàng)。本篇讓我們來(lái)了解一下如何將運(yùn)算放大器在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用得恰到好處，讓其能力得以充分發(fā)揮。

運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用方式

按照最基本的形式，運(yùn)算放大器用作同相放大器(圖1)和反相放大器(圖2)。同相放大器和反相放大器都有負(fù)反饋(輸出端連接至VIN(-))。閉環(huán)增益(ACL)可使用虛擬短路(亦稱虛擬接地)概念輕松計(jì)算出。

同相放大器的輸入阻抗非常高，因?yàn)槠漭斎攵酥苯舆B接至運(yùn)算放大器。相反，反相放大器的輸入阻抗低于同相放大器的輸入阻抗，因?yàn)閂IN(-)和VIN(+)具有相同的電位，因?yàn)樗麄儗?shí)際上為虛擬短路狀態(tài)并且R1作為輸入阻抗。

圖1：同相放大器

圖2：反相放大器

圖3：電壓跟隨器

圖3顯示了一個(gè)電壓跟隨器。可將電壓跟隨器視為一個(gè)具有無(wú)窮大電阻R1且R2為零的同相放大器。由于電壓跟隨器的增益較低(單位增益，AV=1)，因此其帶寬較寬。必須要小心的是，電壓跟隨器容易受第二極點(diǎn)影響。大多數(shù)運(yùn)算放大器可用作單位增益放大器，因?yàn)槠湓诔浞执笥趩挝辉鲆娼辉筋l率(fT)的頻率下具有第二極點(diǎn)。而導(dǎo)線或負(fù)載電容可能會(huì)使其發(fā)生振蕩。如果給定運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)表顯示其可在單位增益下使用，則其可用作電壓跟隨器。

此外，運(yùn)算放大器具有多種應(yīng)用，包括差分放大器(減法電路圖4)以及加法器(圖5)和積分器電路(圖6)。

圖4：差分放大器(減法電路)

圖5：加法電路

圖6：積分電路

虛擬短路

使用虛擬短路(亦稱為虛擬接地)的概念，可輕松計(jì)算出具有負(fù)反饋的運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益。虛擬短路概念是指當(dāng)具有較大開(kāi)環(huán)增益時(shí)，無(wú)論輸入信號(hào)如何，具有負(fù)反饋的運(yùn)算放大器的VIN(+)端子和VIN(-)端子其電位幾乎相同。

圖7：負(fù)反饋放大器(反相放大器)

在圖7所示的負(fù)反饋放大器(反相放大器)情況下，由于輸出端與輸入端之間的連接方式，輸出增加導(dǎo)致輸入減少。因此，輸出信號(hào)介于電源和接地端之間。假設(shè)一個(gè)反相放大器的輸入電壓為1此時(shí)，運(yùn)算放大器以100,000的開(kāi)環(huán)增益運(yùn)行。由于輸出電壓為3Vpp，故輸入電壓為3Vpp/100,000=30μVpp。因此，VIN(-)≈VIN(+)。接下來(lái)，我們通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算來(lái)理解這一點(diǎn)。

假設(shè)運(yùn)算放大器為理想放大器。則會(huì)出現(xiàn)以下情況：

1. 無(wú)窮大開(kāi)環(huán)增益(AV)

2. 無(wú)窮大輸入阻抗

3. 零輸出阻抗

由于輸入阻抗無(wú)窮大，流經(jīng)R1的所有電流(i1)都流經(jīng)R2。

i1=(Vi–VIN(?))/R1=(VIN(?)-Vo)/R2

(1)由下式得出運(yùn)算放大器的輸出電壓：

Vo=AV×(VIN(+)–VIN(?))

(2)根據(jù)等式1和等式2，VIN(+)計(jì)算如下：

由于輸出阻抗為零，我們通過(guò)公式3得到VIN(+)=VIN(?)。因此，VIN(?)輸入端的電壓等于連接至GND的VIN(+)輸入端的電壓。在這種情況下，VIN(?)輸入端的狀況即稱為虛擬短路。

廣義上看，虛擬接地是電路的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)保持在一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位，不直接連接至電源或接地。在圖7的電路中，VIN(-)稱為虛擬接地，因?yàn)槠鋵?shí)際上等于GND。

讓我們使用虛擬短路和理想運(yùn)算放大器計(jì)算圖8中所示的同相放大器的閉環(huán)增益(AV)。我們將輸出電壓(Vo)表示為Vi的函數(shù)。根據(jù)虛擬短路概念，VIN(-)=VIN(+)=Vi。

因此，流經(jīng)R1的電流(i1)計(jì)算如下：

I1=VIN(-)/R1=Vi/R1

圖8：同相放大器

無(wú)電流流向運(yùn)算放大器輸入端，因?yàn)槠渚哂袩o(wú)窮大阻抗。設(shè)流經(jīng)R2的電流為I2，I1=I2。故R2兩端的電壓(VR2)為：

VR2=R2×I2=R2×Vi/R1

故Vo計(jì)算如下：

Vo=VR1+VR2

=Vi+R2×Vi/R1=Vi×(R1+R2)/R1

AV=Vo/Vi=(R1+R2)/R1

您可輕松得到閉環(huán)增益等式。

圖9：反相放大器

也可用相同方式計(jì)算出圖9所示的反相放大器的閉環(huán)增益(AV)。

VIN(-)=VIN(+)=0V(GND)

I1=V1/R1=I2

Vo=VR2=R2×I2=R2×V1/R1

故閉環(huán)增益為：

AV=Vo/Vi=R2/R1

如上所述，可使用虛擬短路和理想運(yùn)算放大器概念輕松計(jì)算出閉環(huán)增益。

本篇全面分享了運(yùn)算放大器的各種使用方式，下一篇我們將和您介紹運(yùn)算放大器的電氣特性。

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