原创 学好嵌入式系统 电路入门（3）-运算放大器

上次我们学过了半导体，今天我们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。

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。

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。

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。