同相运算放大器电路设计教程

电路

运算放大器电路的第二种基本配置是同相运算放大器设计。在这种配置中，输入电压信号（ V IN ）直接施加到同相（ + ）输入端子，这意味着与“反相放大器”电路相比，放大器的输出增益的值变为“正”我们在上一个教程中看到其输出增益为负值。其结果是输出信号与输入信号“同相”。

通过将一小部分输出电压信号通过Rƒ-R2分压器网络加回到反相（-）输入端子，可以实现对同相运算放大器的反馈控制。如图所示，这种闭环配置可产生具有非常好的稳定性，非常高的输入阻抗Rin接近无穷大的同相放大器电路，因为没有电流流入正输入端子（理想条件），并且输出阻抗Rout很低，如图所示下面。
同相运算放大器配置

在之前的反相放大器教程中，我们说过，对于理想的运算放大器，“没有电流流入放大器的输入端子”，而“ V1始终等于V2”。这是因为输入和反馈信号（ V1 ）的结点处于相同电位。

换句话说，连接点是“虚拟地球”的总和。由于该虚拟接地节点，电阻Rƒ和R2在非反相放大器上形成一个简单的分压器网络，电路的电压增益由R2和Rƒ之比确定，如下所示。
等效电位分压器网络

然后，使用该公式计算分压器网络的输出电压，我们可以计算出同相放大器的闭环电压增益（ A V ），如下所示：

然后，同相运算放大器的闭环电压增益将为：

从上面的等式我们可以看到，同相放大器的总闭环增益将始终大于但不小于一个（单位），本质上是正的，并且由Rƒ的值之比确定和R2。
如果反馈电阻Rƒ的值为零，则放大器的增益将完全等于1（单位）。如果电阻R2为零，则增益将接近无穷大，但实际上，它将限于运算放大器的开环差分增益（ A O ）。
通过简单地改变如图所示的输入连接，我们可以轻松地将反相运算放大器配置转换为同相放大器配置。

电压跟随器（单位增益缓冲器）如果我们使反馈电阻Rƒ等于零（Rƒ= 0），并且使电阻R2等于无穷大（R2 = ∞），那么得到的电路将具有固定的增益“ 1”（单位），因为输出电压被反馈到反相输入端子（负反馈）。这种配置将产生一种特殊类型的同相放大器电路，称为电压跟随器，也称为“单位增益缓冲器”。

由于输入信号直接连接到放大器的同相输入，因此输出信号不反相，导致输出电压等于输入电压，因此Vout = Vin。然后，由于其输入到输出的隔离特性，电压跟随器电路成为理想的恒压源或稳压器。

单位增益电压跟随器配置的优势在于，当阻抗匹配或电路隔离比电压或电流放大更为重要时，可以使用它，因为它可以将输入信号电压保持在其输出端。同样，电压跟随器电路的输入阻抗非常高，通常大于1MΩ，因为它等于运算放大器的输入电阻乘以其增益（ Rin x A O ）。运算放大器的输出阻抗非常低，因为它假定理想的运算放大器条件，因此不受负载变化的影响。
同相电压跟随器

在这种同相电路配置中，输入阻抗Rin已增大到无穷大，反馈阻抗Rƒ减小到了零。输出直接连接回负反相输入，因此反馈为100％，Vin恰好等于Vout，从而使其固定增益为1或1。当将输入电压Vin施加到同相输入时，放大器的电压增益为：

由于没有电流流入同相输入端子，因此输入阻抗是无限的（理想条件），因此零电流将流过反馈环路。因此，任何电阻值都可以放置在反馈回路中，而不会影响电路的特性，因为没有电流流过该回路，因此其两端的电压降为零，从而导致功率损耗为零。
由于输入阻抗非常高，单位增益缓冲器（电压跟随器）可用于提供较大的功率增益，因为额外的功率来自运放的供电轨，并通过运放输出到负载而不是直接输出到负载。从输入。但是，在大多数实际的单位增益缓冲电路中，都存在泄漏电流和寄生电容，因此在反馈环路中需要一个低阻值（通常为1kΩ）的电阻，以帮助减少这些泄漏电流的影响，从而提供稳定性，尤其是在运算放大器为当前的反馈类型。

电压跟随器或单位增益缓冲器是一种特殊且非常有用的同相放大器电路，通常用于电子设备中以将电路彼此隔离，特别是在高阶状态变量或Sallen-Key型有源滤波器中将一个滤波器分开从另一个阶段。可用的典型数字缓冲器IC是74LS125四通道三态缓冲器或更常见的74LS244八进制缓冲器。

最后一个想法，电压跟随器电路的闭环电压增益为“ 1”或Unity。没有反馈的运算放大器的开环电压增益为Infinite。然后，通过仔细选择反馈分量，我们可以控制同相运算放大器产生的增益量，范围从1到无穷大。