学好嵌入式系统电路入门之——运算放大器

　　在学过了无源元件、二极管、晶体管、FET之后，本文将带大家来复习一下运算放大器，以及使用了运算放大器的放大器电路和比较器。

　　方便多用途的集成电路 — 运算放大器

　　运算放大器是一种可以进行数学运算的放大电路。运算放大器不仅可以通过增大或减小模拟输入信号来实现放大，还可以进行加减法以及微积分等运算。所以，运算放大器是一种用途广泛，又便于使用的集成电路。

　　图1：运算放大器的电路符号

　　如图1所示，运算放大器的电路符号有正相输入端Vin（+）和反相输入端Vin（－）两个输入引脚，以及一个输出引脚Vout。实际上运算放大器还有电源引脚（+电源、－电源）和偏移输入引脚等，在电路符号上没有表示出来。

　　运算放大器的主要功能是以高增益放大、输出2个模拟信号的差值。我们将放大2个输入电压差的运放称为差动放大器。当Vin（+）电压较高时，正向放大输出。当Vin（－）电压较高时，负向放大输出。此外，运算放大器还具有输入阻抗极大和输出阻抗极小的特征。

　　即使输入信号的差很小，由于运算放大器有极高的放大倍数，所以，也会导致输出最大或最小电压值。因此，常常要加负反馈后使用。下面让我们来看一个使用了负反馈的放大器电路。

　　运算放大器的基本① - 反相放大器电路

　　图2：反相放大器电路

　　如图2所示，反相放大器电路具有放大输入信号并反相输出的功能。"反相"的意思是正、负号颠倒。这个放大器应用了负反馈技术。所谓负反馈，即将输出信号的一部分返回到输入，在图2所示电路中，象把输出Vout经由R2连接（返回）到反相输入端（－）的连接方法就是负反馈。

　　我们来看一下这个反相放大器电路的工作过程。运算放大器具有以下特点，当输出端不加电源电压时，正相输入端（+）和反相输入端（－）被认为施加了相同的电压，也就是说可以认为是虚短路。所以，当正相输入端（+）为0V时，A点的电压也为0V。根据欧姆定律，可以得出经过R1的I1=Vin/R1。

　　另外，运算放大器的输入阻抗极高，反相输入端（－）中基本上没有电流。因此，当I1经由A点流向R2时，I1和I2电流基本相等。由以上条件，对R2使用欧姆定律，则得出Vout=－I1×R2。I1为负是因为I2从电压为0V的点A流出。换一个角度来看，当反相输入端（－）的输入电压上升时，输出会被反相，向负方向大幅度放大。由于这个负方向的输出电压经由R2与反相输入端相连，因此，会使反相输入端（－）的电压上升受阻。反相输入端和正相输入端电压都变为0V，输出电压稳定。

　　那么我们通过这个放大器电路中输入与输出的关系来计算一下增益。增益是Vout和Vin的比，即Vout/Vin=（－I1×R2）/（I1×R1）=－R2/R1。所得增益为－表示波形反相。

　　在这个算公式中需要特别注意的地方是，增益仅由R1和R2电阻比决定。也就是说。我们可以通过改变电阻容易地改变增益。在具有高增益的运算放大器上应用负反馈，通过调整电阻值，就可以得到期望的增益电路。

　　运算放大器的基本② — 正相放大器电路

　　图3：正相放大器电路

　　与反相放大器电路相对，图3所示电路叫做正相放大器电路。与反相放大器电路最大的不同是，在正相放大器电路中，输入波形和输出波形的相位是相同的，以及输入信号是加在正相输入端（+）。与反相放大器电路相同的是，两个电路都利用了负反馈。

　　我们来看一下这个电路的工作过程。首先，通过虚短路，正相输入端（+）和反相输入端（－）的电压都是Vin，即点A电压为Vin。根据欧姆定律，Vin=R1×I1。另外，运算放大器的两个输入端上基本没有电流，所以I1=I2。而Vout为R1与R2电压的和，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）。

　　如果撤销这个电路中的R1，将R2电阻变为0Ω或者短路，则电路变为增益为1的电压跟随器。这种电路常用于阻抗变换和缓冲器中。

　　输入值的判定 — 比较器

　　Comparator也可称为比较器，比较两个电压的大小，然后输出1（+侧的电源电压，图示为VDD）或0（－侧的电源电压）。比较器常常用于检测输入是否达到规定值。也可以用运算放大器来代替比较器，但一般情况下使用专用的比较器IC。比较器和运算放大器使用相同电路符号。

比较器电路如图4所示。我们来看一下这个电路的工作过程。首先应该注意，这个电路中没有正反馈也没有负反溃放大Vin和VREF的差值，从Vout输出。例如，Vin大于VREF时，放大输出的Vout上升至+侧的电源电压，达到饱和。Vin小于VREF时，输出Vout下降至－侧电源电