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简单模电设计,掌握这几个经典的运放电路就够用了

来源:乐创客




文/Edward


比例放大器


在做模拟信号处理的时候,有时候由于信号的幅度太小,不利于后续的电路处理,因此需要预先将小信号进行放大。做放大的时候,就要运用运放了。基本上只要有模拟信号的地方,都会用到运放。注意这里的运算放大器,不仅仅只是对电压信号进行简单的放大,这里更加体现的重点是"运算"。比例放大电路将一个信号等比例放大的电路是比例放大电路。这里请注意,如果一个信号是交流信号,即有负半周部分,则应当使用如μA741之类的双电源运放;如果处理仅有正半周的信号时,则应当选择如LM324之类的单电源运放,如果不按照这个方式选择运放,则会产生一个为电源电压一半的直流偏置,不利于后续处理。比例放电电路有两种,一种是正向电压放大器,如图1所示;一种是反向电压放大器,如图3所示。图1中VOUT和VIN之间的关系为:




图1 正向电压放大器


这里假设有一个信号S,其为频率1K,幅度0.1V的正弦信号,需要设计一个10倍的放大电路将其放大至1V。则设计的电路及波形如图2所示。




图2 正比例放大器的电路及波形


另一种放大器为反相放大器,或者称反比例放大器。对于周期信号来说,反相放大的即是指将其信号的相位移90度。如图2-7所示。图3中VOUT和VIN之间的关系为:




图3 反向电压放大器


这里假设有一个信号S,其为频率1K,幅度0.1V的正弦信号,需要设计一个10倍的放大电路将其反向放大至1V。则设计的电路及波形如图4所示。




图4 反比例放大器的电路及波形


本文对于模拟电路的讲解,仅限于一些结果的呈现,由于内容比较繁多,因此如果模拟电路基础薄弱的,还需多花时间进行系统学习。 电压跟随器与反相器电压跟随器,其实可以看成是一种特殊的运算放大器,即输入电压信号与输出电压信号的幅值比例为1,相位差为0,即增益为1的运算放大器。有些读者可能会有疑惑,增益为1,那岂不是相当于一种直来直往的器件?内部是否任何工作都没有做?其实不然,先看一下图5展示的电压跟随器及其波形,后续再做详细讲解。




图5 电压跟随器电路及其波形


电压跟随器与反相器


电压跟随器,虽然对信号相当于未作任何处理,但是其存在的必要性是无法代替的,主要目的是改变两个电路系统之间连接的阻抗。对于我们后续的设计中,如果有多级电路串联来传递信号的,那么应该第一反应就是考虑是否需要加跟随器。先看电压跟随器是如何改变电路连接的阻抗的。假设有一个电阻分压的电路,对一个正弦波进行分压,并且送给另一个采样电路去采样,且采样电路的输入阻抗为10K。如图6所示。





图6 电阻分压采样示意图


图6,很明显可以看到电阻R2和R3处于并联关系,因此其总阻抗其实是变成了10K左右,本来R1是和R2的分压,结果变成了R2和R3的并联等效电阻的分压了,这就造成了后级电路对前级电路的影响,是我们所不期望的。运放由于其特性,决定了它的输入阻抗是非常大的,近似可以看作输入短路,这叫"虚断"。因此将其组成电压跟随器加在两级电路中间,可以基本隔绝两端电路的相互影响,又对传输信号没有任何影响,如图7所示。




图7 电压跟随器隔离电路


关于第二个信号延时功能一会再说,先来看反相器。反相器,顾名思义就是增益为-1的运放,即输出信号与输入信号的幅度相等,相位相差90度。如图8所示。





图8 反相器及其波形


反相器比较好理解,这里就不做过多解释了。


加法器和减法器


加法器和减法器可以看作一个类型的器件,当有两个电压信号S1,S2,需将其叠加输出,产生S3,使得S3=S1+S2。那么其电路如图9所示。




而想要实现减法器,即S3=S2-S1,参考图10。




图10 减法器电路


假定R4/R3=n,只需修改n的值,则可以实现减法比例放大,且满足S3=n*(S1-S2)。这个可以自己去尝试,需要注意的是,R1的值一定要和R4相等。



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