第5课(下):运放的各种运算电路

硬件学习路线 · 用上一页的两条黄金规则,逐个推导同相、反相、跟随、加法、减法、积分、微分等运算电路

一、总方法:三步推导任何运放电路

上一页讲过两条黄金规则:虚短(V+ ≈ V−)和虚断(输入端无电流)。学会运算电路,其实只需要反复使用同一个三步流程:

  1. 判断是不是负反馈:输出是否接回了反相端 V−?如果是,两条规则可以用;否则要重新判断。
  2. 利用虚短:V+ 和 V− 电压相等。把同相端的电压找出来(有时就是输入信号,有时是分压)。
  3. 利用虚断,列电流方程:流过输入电阻的电流,等于流过反馈电阻的电流。解出 Vout。
类比:运放电路就像一个"自动平衡的天平"。虚短是天平的"两端高度一致",虚断是"天平上没有额外的重物"。只要两个条件成立,就能用简单的比例关系算出输出——这就是所有运算的秘密。
学习建议:下面每一节都会先写出电路结构,再用三步推导出公式,最后给一个数字例子和计算器。请一边看一边自己在纸上画一遍,比只看公式记得牢得多。

二、同相放大:信号从 + 端进,输出同相

结构:信号 Vin 接在同相端 V+。输出通过 Rf 接回反相端 V−,另一端通过 Rg 接地。

2.1 三步推导

  1. 有负反馈(输出接回 V−),两条规则可用。
  2. 虚短:V+ = V− = Vin。
  3. 虚断:Vin 通过 Rg 到地的电流 = 流过 Rf 的电流。Rg 上的电流是 Vin / Rg,所以 Vin/Rg = (Vout − Vin)/Rf。

整理得:

Vout = (1 + Rf / Rg) × Vin 增益 = 1 + Rf/Rg,永远 ≥ 1,并且与输入同相(信号方向不变)

2.2 例子

Rg = 1 kΩ,Rf = 10 kΩ,则增益 = 1 + 10/1 = 11 倍。输入 0.5 V,输出 = 5.5 V。

同相放大的优点:输入阻抗极高(信号源几乎不被"吸"走电流),这是它被广泛用于传感器信号放大的原因。它的缺点是增益不能小于 1。

2.3 动手拨一拨:同相放大的传输特性

横轴是输入电压,纵轴是输出电压。直线的斜率就是增益。注意:超出电源轨(±12 V)后,输出会被"顶"住,不再继续增加。

增益 1 + Rf/Rg-
理论输出-
实际输出(限幅后)-

三、反相放大:信号从 − 端进,输出反相

结构:信号 Vin 通过 Rin 接到反相端 V−。输出通过 Rf 接回 V−。同相端 V+ 直接接地。

3.1 三步推导

  1. 负反馈成立,两条规则可用。
  2. 虚短:V− = V+ = 0 V。反相端被"钉"在地电位,称为虚地。
  3. 虚断:流过 Rin 的电流 = 流过 Rf 的电流。Vin/Rin = (0 − Vout)/Rf,所以 Vout = −(Rf/Rin) × Vin。
Vout = −(Rf / Rin) × Vin 增益 = −Rf/Rin,负号表示反相;增益可以大于 1,也可以小于 1(例如 Rf 比 Rin 小时)

3.2 例子

Rin = 10 kΩ,Rf = 100 kΩ,增益 = −10。输入 0.2 V,输出 = −2 V。输入 −0.5 V,输出 = +5 V。

"虚地"的直观理解:反相端被运放"按"在 0 V 附近,就像一个被按住的水位,它不会真的接地,却等效于地。电流就从输入端,经过 Rin 流向"虚地",再由 Rf 从"虚地"流向输出。这就是反相放大的本质。
反相与同相怎么选?需要反相(负号)或希望信号电流有通路到地时,用反相放大;需要高输入阻抗、增益不小于 1 时,用同相放大。

3.3 动手拨一拨:反相放大的传输特性

增益 −Rf/Rin-
理论输出-
实际输出(限幅后)-

四、电压跟随器:增益为 1 的"缓冲器"

把输出直接接回反相端(Rf = 0,Rg 开路),就得到电压跟随器:

Vout = Vin(增益恰好为 1,同相) 代入同相放大公式:Rf = 0 时,增益 = 1 + 0/Rg = 1

它看起来"什么都没做",但它的价值非常大:

🔌
输入阻抗极高几乎不从信号源吸电流,不会"拖垮"前级电路
🔋
输出阻抗极低能够带动较大的负载(如扬声器、低阻值电阻)而电压基本不变
🧱
隔离前后级把一个高内阻的信号(如分压器)变成能驱动后级的"强信号"
类比:电压跟随器就像一个"电压复印机":它不改变信号的大小,但把信号"复制"到一个能力更强的通道上。前级的信号源可以很弱,后级的负载可以很重,中间的跟随器负责两边互不干扰。
一个典型应用错误:用一个 100 kΩ 的分压器给 ADC 供电压,ADC 输入电流稍大,分压就会偏离。只需要在分压器输出后接一个电压跟随器,问题就解决了。

五、反相加法:把几路电压加起来

结构:多路输入 V1、V2、V3……各自通过电阻 R1、R2、R3……接到反相端,Rf 接回输出。

5.1 三步推导

  1. 负反馈成立。虚短:V− = 0 V(虚地)。
  2. 虚断:流入反相端的电流之和为零,即 V1/R1 + V2/R2 + … = −Vout/Rf(流进 V− 节点的所有电流,都必须从 Rf 流出)。
  3. 解出 Vout:
Vout = −( Rf/R1 × V1 + Rf/R2 × V2 + … ) 各路电压按各自的比例(Rf/Ri)加权相加,结果取负号(反相)

5.2 例子

Rf = R1 = R2 = 10 kΩ,V1 = 1 V,V2 = 2 V:Vout = −(1 × 1 + 1 × 2) = −3 V。

如果 R2 改为 20 kΩ,V2 的权重减半:Vout = −(1 × 1 + 0.5 × 2) = −2 V。改变电阻,就改变了"各路信号在总和里占的比重"。

应用:音频混音(把麦克风和音乐混在一起)、多路传感器信号的加权求和、模拟计算。如果需要"不反相"的加法,可以在后面再接一个反相放大器,把符号翻回来。

5.3 动手算一算

V1 / V2 当前值-
理论输出-
实际输出(限幅后)-

六、减法(差分放大):取两个信号的"差"

减法电路的目标是输出 V2 − V1。它需要两个输入同时参与,一个接 V+,一个接 V−,运用叠加原理分别计算它们的贡献。

6.1 最常用的形式(所有电阻配对相等)

取 R1 = R2,Rf = R3(同相端的分压电阻与反馈电阻相等),这时:

Vout = (Rf / R1) × (V2 − V1) 输出正比于两个输入的差。如果 Rf = R1,增益为 1,输出就是 V2 − V1

6.2 为什么叫"差分"?

如果两个输入同时变化同样的量(例如两路都增加 1 V),差值不变,输出也不变。这种"共同的电压"叫做共模,减法电路能把它抑制掉,只放大差值(叫差模)。

类比:想象两个人同时被地震晃动(共模)。他们之间的距离(差模)才是你真正关心的信息。差分电路就像一个只测量"两人距离"的仪器,地震本身被抵消掉了。

6.3 例子:传感器的桥式输出

电阻应变片、热电偶、电桥等传感器,输出的是一个很小的差分电压,而且两端都叠加着较大的共模电压(比如 2.5 V)。用差分放大器,就能只放大那一点点差值,而把共模的 2.5 V 去掉。

6.4 动手算一算

差值 V2 − V1-
理论输出-
实际输出(限幅后)-

七、积分运算:把"变化"变成"累积"

结构:把反馈元件从 Rf 换成电容 C,输入经过电阻 R 接到反相端。

7.1 三步推导

  1. 负反馈成立,虚地:V− = 0 V。
  2. 虚断:Vin/R = −C × dVout/dt(流过 R 的电流全部流进电容)。
  3. 两边积分:
Vout = −(1 / RC) × ∫ Vin dt 输出等于输入对时间的累积,负号表示反相;RC 决定"积累"的快慢

7.2 直观理解:积分器在"数面积"

类比:积分器就像一个水桶。输入是流进桶里的水流速度,输出是桶里水的多少。水流速度是正的,水就越来越多;水流速度是负的(相当于抽水),水就减少。桶里的水量,就是输入对时间的积累。

7.3 用途

实际的麻烦:理想积分器的直流增益是无穷大,哪怕运放的一点点失调电压,也会让输出慢慢"漂"到饱和。实际电路会在电容上并联一个大电阻(如 1 MΩ),让它有一定的直流负反馈,防止饱和。下面的演示为了突出积分原理,暂时不考虑这个问题。

7.4 动手看波形:方波变三角波

输入是 ±A 的方波,RC 固定为 10 ms(例如 R = 100 kΩ,C = 0.1 μF)。输出为三角波,峰峰值 = A × (半周期) / RC。注意:输出超出 ±12 V 时会被饱和限幅,波形会被"压平"。

半周内输出变化量-
输出峰峰值(理论)-
实际输出-
-

八、微分运算:捕捉"变化的快慢"

结构:把输入电阻换成电容 C,反馈元件仍然是电阻 R。

8.1 三步推导

  1. 负反馈成立,虚地:V− = 0 V。
  2. 虚断:流过 C 的电流 = 流过 R 的电流。C × dVin/dt = −Vout/R。
  3. 整理:
Vout = −RC × dVin/dt 输出正比于输入的变化率(斜率):变化越快,输出越大;静止不变,输出为零

8.2 直观理解

类比:微分器像一个"变化侦探":它不关心数值多大,只关心数值变得多快。一辆车匀速行驶,它不报警;一旦猛踩油门,它就报警。

8.3 一个重要的警告:微分器对高频噪声非常敏感

因为频率越高,微分输出越大,所以高频噪声会被严重放大,电路容易振荡。实际电路中要在 R 上并联一个小电容,限制高频增益。这就是为什么很多教科书把微分器排在积分器之后讲,并且实际中用得比积分器少。

8.4 动手算一算:正弦输入的输出幅度

对幅度为 A、频率为 f 的正弦输入,输出幅度为 Vo = 2πf × RC × A。下面可以改变 R、C、f 和 A,看输出幅度如何变化。

RC 时间常数-
输出幅度(理论)-
实际输出(限幅后)-

九、电流电压转换:把微弱电流变成电压

有些传感器(光电二极管、离子检测器、电化学传感器)输出的是电流,而单片机 ADC 只能读电压。解决办法是用运放把电流"换"成电压:

结构:电流源接在反相端,Rf 接在反相端和输出之间。同相端接地。

9.1 推导

  1. 虚地:V− = 0 V。
  2. 虚断:输入电流 I 全部流过 Rf。
  3. 于是:Vout = −I × Rf。
Vout = −I × Rf 这种电路叫做"跨阻放大器"(Transimpedance Amplifier),Rf 是它的"跨阻"

9.2 动手拨一拨

例如光电二极管输出 10 μA 电流,Rf = 100 kΩ,则输出电压 = −10 μA × 100 kΩ = −1 V。注意:如果 Rf 选太大,很小的电流也会让输出饱和。

理论输出 −I×Rf-
实际输出(限幅后)-

十、其它常见电路:滤波与仪表放大

10.1 有源滤波:运放 + RC 做"筛子"

在运放的反馈网络里加入电容,就得到有源滤波器。它既能放大,又能选频。例如同相放大加一个 RC 低通:

低通截止频率 fc = 1 / (2π × R × C) 例:R = 10 kΩ,C = 10 nF,则 fc = 1/(2π × 10⁴ × 10⁻⁸) ≈ 1.59 kHz。高于 fc 的信号被逐渐衰减

相比无源 RC 滤波,有源滤波不会因为负载而改变特性,还可以同时提供增益。这就是音响、传感器信号调理中常用的方式。

10.2 仪表放大器:精密测量的"标准件"

在测量微弱差分信号(如应变片、心电信号)时,需要的是高输入阻抗、高共模抑制、增益可调的放大器。常见做法是三个运放组合成仪表放大器:前级两个运放做高阻抗输入,后级一个差分放大器做减法。

G = 1 + 2R / Rg 只需要改变一个电阻 Rg,就能调节增益。这是仪表放大器的最大优点

现实中一般直接用集成好的仪表放大器芯片,而不自己搭。学习阶段理解它的结构和增益公式就够了。

10.3 对数与指数:非线性运算

如果把二极管或三极管放在反馈回路里,输出就会与输入的对数或指数有关,用于模拟乘除法、测量分贝、压缩动态范围。这属于非线性运放电路,我们在后面的模拟电路课里再深入。

十一、实际设计的注意事项

11.1 增益带宽积:增益越高,能放的频率越低

真实运放的增益带宽积(GBW)大致是一个常数。闭环增益 G 时,带宽约为:

闭环带宽 BW ≈ GBW / G 例:GBW = 1 MHz 的运放,接成增益 100 倍,带宽只剩 1 MHz / 100 = 10 kHz
GBW(假设)1 MHz
闭环带宽-

11.2 单电源设计:偏置是关键

单电源(如 +5 V)下,信号如果有负半周,就会被运放的 0 V 下限切掉。解决办法是给信号加一个直流偏置,比如把信号的中心抬到 2.5 V(用两个等值电阻分压加到同相端),让信号在 0 ~ 5 V 之间摆动。

11.3 去耦与稳定性

11.4 饱和:最常见的"没算到"

几乎所有运算电路都有输出饱和的风险。设计时必须先算出最坏情况下的理论输出(最大输入、最大增益),确认它在电源范围之内,否则实际输出会被"削平",结果完全错误。

设计三问:① 理论输出会不会超过电源轨?② 运放的带宽够不够信号的频率?③ 输入共模电压是否在运放允许范围内?三个问题都过关,电路才能稳定可靠。

十二、小测验:运算电路

十三、本节小结

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