本文詳細(xì)介紹了如何設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器、運(yùn)算放大器同相放大器電路，包括方程式、設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、電路、計(jì)算和設(shè)計(jì)技巧。

同相放大器（non-inverting amplifier ）配置是最流行和最廣泛使用的運(yùn)算放大器電路形式之一，并且用于許多電子電路設(shè)計(jì)中。

運(yùn)算放大器同相放大器電路提供高輸入阻抗以及使用運(yùn)算放大器獲得的所有優(yōu)點(diǎn)。

同相運(yùn)算放大器電路需要的外圍和反向放大電路差不多，但它可可以提供更高的輸入阻抗。

1、同相放大電路

設(shè)計(jì)的第一階段之一是確定所需的實(shí)際增益水平，因?yàn)檫@通常是任何設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)之一。

基本同相放大電路非常簡單。

在該電子電路設(shè)計(jì)中，信號被施加到運(yùn)算放大器的同相輸入引腳。這樣，輸出的信號與輸入的信號相比不會反轉(zhuǎn)。

然而，反饋是通過一個電阻從運(yùn)算放大器的輸出連接到運(yùn)算放大器的反相輸入端，其中另一個電阻接地。電阻必須應(yīng)用于反相輸入，因?yàn)樗秦?fù)反饋。

這兩個電阻的值決定了反饋電平，從而控制運(yùn)算放大器電路的增益。

2、同相放大器增益

運(yùn)算放大器同相電路的增益很容易確定。計(jì)算取決于兩個輸入引腳的電壓相同這一事實(shí)，也就是虛短。這是因?yàn)榉糯笃鞯脑鲆娣浅８?。如果電路的輸出保持在放大器?a target="_blank">電源軌內(nèi)，則輸出電壓除以增益意味著兩個輸入之間實(shí)際上沒有差異。

由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很大，這導(dǎo)致幾乎不會有電流流入運(yùn)放輸入引腳，這意味著流經(jīng)電阻器 R1 和 R2 的電流相同，因?yàn)榉聪嘁_相當(dāng)于斷開，導(dǎo)致R1和 R2 是串聯(lián)關(guān)系。

反相輸入端的電壓由 R1 和 R2 組成的分壓器形成，由于負(fù)反饋時，兩個輸入端的電壓相同，因此反相輸入端的電壓必須與非反相輸入端的電壓相同。這意味著 Vin = Vout x R1 / (R1 + R2)，因此電路的電壓增益 Av 可取為：

例如，需要 11 增益的放大器可以通過將 R2 設(shè)為 47 k 歐姆、將 R1 設(shè)為 4.7 k 歐姆來搭建。

3、同相放大器輸入阻抗

運(yùn)算放大器同相電路的阻抗特別高——事實(shí)上這通常是該電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特征之一。

該運(yùn)算放大器電路的輸入阻抗通?？赡苓h(yuǎn)遠(yuǎn)超過 10M Ω。

對于大多數(shù)電路應(yīng)用，同相放大電路對前級的任何負(fù)載影響都可以完全忽略，因?yàn)樗妮斎胱杩谷绱酥?，除非它們非常敏感?/p>

這與運(yùn)算放大器電路的反相配置有顯著差異，反相放大時，運(yùn)算放大器電路僅根據(jù)輸入電阻器的值提供相對較低的阻抗。

4、設(shè)計(jì)提示和技巧

運(yùn)算放大器同相放大器非常容易設(shè)計(jì)，但與任何電子電路設(shè)計(jì)一樣，有一些值得主義的地方。

不要將 R2 設(shè)得太高：雖然運(yùn)放的輸入阻抗很高，但在任何運(yùn)放電路中，最好始終確保 R2 的值不要選得太高，否則其他電路效應(yīng)可能會加載它，并且增益可能不是預(yù)期的。根據(jù)粗略的經(jīng)驗(yàn)法則，將 R2 值保持在 100kΩ 以下通常是明智的。

增益不能太大：設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器時要記住的一點(diǎn)是不要期望太大的增益。即使開環(huán)增益可能非常高，也不要期望在整個放大器上可以實(shí)現(xiàn)巨大的增益。當(dāng)電壓增益超過10~20 時請仔細(xì)考慮。

帶寬不是一成不變的：雖然運(yùn)算放大器具有很高的增益值，但隨著頻率的增加，增益值開始下降。即使反相放大器中有反饋，也需要考慮增益帶寬積。不要試圖從單級運(yùn)算放大器電路中得到太大的增益，否則頻率響應(yīng)可能會受到影響。

確保輸出不會削波（clip）：對于大多數(shù)電路來說，最大限度地減少失真非常重要。電路設(shè)計(jì)考慮因素之一必須是確保輸出有足夠的余量，以便最大輸出電壓不會接近電源軌，從而導(dǎo)致輸出削波。當(dāng)增益設(shè)計(jì)的比較大時時，通常會發(fā)生這種情況，因此值得在設(shè)計(jì)的最開始應(yīng)該計(jì)算最大輸出電壓。

5、交流耦合同相放大器

在大多數(shù)情況下，可以對電路進(jìn)行直流耦合。在需要交流耦合的情況下，必須確保非反相器件具有直流接地路徑，以實(shí)現(xiàn)偏置運(yùn)放內(nèi)部的輸入元件所需的非常小的輸入電流。

這可以通過插入一個高值電阻器（圖中的 R3）接地來實(shí)現(xiàn)，如下所示。該值通?？梢詾?100kΩ 或更大。如果未插入該電阻器，運(yùn)算放大器的輸出將被驅(qū)動到電壓軌之一。

當(dāng)以這種方式接入電阻時，應(yīng)記住電容-電阻組合 C1 / R3 形成具有截止頻率的高通濾波器。截止點(diǎn)出現(xiàn)在容抗等于電阻的頻率處。

同樣，輸出電容器的選擇應(yīng)使其能夠通過系統(tǒng)所需的最低頻率。在這種情況下，運(yùn)算放大器的輸出阻抗較低，因此最大阻抗可能是下一級的阻抗。

6、單電源同相放大器

運(yùn)算放大器電路通常設(shè)計(jì)為采用雙電源供電，例如+9V 和-9V。這并不總是容易實(shí)現(xiàn)，因此使用電子電路設(shè)計(jì)的單端或單電源版本通常很方便。這可以通過創(chuàng)建通常稱為半電源軌的方式來實(shí)現(xiàn)。

同相運(yùn)算放大器電路的偏置電壓為軌電壓的一半。通過將工作點(diǎn)設(shè)置在此電壓，可以在輸出上獲得最大擺幅而無需削波。

使用該電路時有以下幾點(diǎn)需要注意：

偏置電壓：同相放大器的偏置電壓由 R3 和 R4 設(shè)置。通常運(yùn)放本身的輸入阻抗會高于這兩個電阻值，因此可以忽略不計(jì)。通常，偏置電壓設(shè)置為軌電壓的一半，以使輸出能夠在任一方向上均勻擺動而不會發(fā)生削波。R3 和 R4 通常具有相同的值。

輸入阻抗：這種布置的輸入阻抗將低于運(yùn)算放大器本身的輸入阻抗。整個非反相放大器電路的輸入阻抗將是與運(yùn)算放大器的輸入阻抗并聯(lián)的R3和R4。實(shí)際上，這通常等于 R3 與 R4 并聯(lián)，即 (R3 x R4) / R3 + R4)。

電容 C3：電容 C3 的漏電流必須非常低，否則漏電流會擾亂電路并進(jìn)入電源軌。不要使用點(diǎn)解電容，因?yàn)樗鼈兊穆╇娏魈卟⑶译娐愤M(jìn)入電源軌。

輸入和輸出電容：與任何電子電路設(shè)計(jì)一樣，輸入和輸出電容器的選擇必須能夠通過最低頻率而不會出現(xiàn)過度衰減。

同相放大電路對于需要高輸入阻抗的電子設(shè)備中的電子電路設(shè)計(jì)特別有用。該同相放大電路易于搭建，實(shí)際工作可靠、良好。

編輯：黃飛

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