一、同相運(yùn)算放大器是什么？

　　同相運(yùn)算放大器是一種運(yùn)算放大器，其輸出電壓和輸入電壓同相。反饋是通過(guò)一個(gè)電阻從運(yùn)算放大器的輸出獲取到運(yùn)算放大器的反相輸入，另一個(gè)電阻接地。

　　這兩個(gè)電阻決定了反饋電壓，從而控制了運(yùn)算放大器電路的增益。下圖為基本同相運(yùn)算放大器。

　　基本同相運(yùn)算放大器電路圖

　　二、同相運(yùn)放電路原理

　　在同相運(yùn)放電路中，輸入電壓信號(hào) （ VIN ） 直接施加到同相 （ + ） 輸入端，這意味著放大器的輸出增益在值上變?yōu)椤罢?，同相運(yùn)算放大器的反饋控制是通過(guò)將一小部分輸出電壓信號(hào)通過(guò)R? – R2分壓器網(wǎng)絡(luò)返回到反相 （ – ） 輸入端來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而再次產(chǎn)生負(fù)反饋。

　　這種閉環(huán)配置產(chǎn)生了一個(gè)同相放大器電路，具有非常好的穩(wěn)定性，非常高的輸入阻抗，Rin 接近無(wú)窮大，如下圖所示：

　　同相運(yùn)算電路圖

　　三、同相運(yùn)算電路圖講解

　　這里，我們通過(guò)構(gòu)建帶有反饋回路的運(yùn)算放大器電路來(lái)對(duì)同相運(yùn)算電路圖講解。如下圖所示：

　　同相運(yùn)算電路圖

　　在上述電路中，反相輸入端連接了一個(gè)外部電阻 R1和 反饋電阻 Rf?，F(xiàn)在，通過(guò)應(yīng)用基爾霍夫電流定律，可以得到：

　　同相運(yùn)放計(jì)算公式

　　假設(shè)施加到同相端的輸入電壓為 vi，并且假設(shè)電路中的運(yùn)算放大器是理想的運(yùn)算放大器，那么，

　　等式（i）可以重寫為：

　　同相運(yùn)放計(jì)算公式

　　同相運(yùn)放計(jì)算公式

　　同相運(yùn)放計(jì)算公式

　　電路的閉環(huán)增益為：

　　同相運(yùn)放計(jì)算公式

　　從同相運(yùn)算放大器的電壓增益表達(dá)式可以清楚地看出，當(dāng) Rf = 0 或 R 1 → ∝ 時(shí)，增益將為單位。

　　因此，如果我們將反饋路徑短路和/或打開反相引腳的外部電阻，則電路的增益變?yōu)?1。

　　四、同相運(yùn)放計(jì)算公式

　　電路的閉環(huán)增益為：

　　同相運(yùn)放計(jì)算公式

　　Rf 為反饋電阻，R1為外部電阻。

　　五、同相運(yùn)算放大器計(jì)算公式應(yīng)用案例

　　1、案例一：

　　對(duì)于以下同相放大器電路，計(jì)算以下：

　　流過(guò)負(fù)載電阻的電流

　　放大器增益

　　輸出電壓

　　o/p 電流

　　同相運(yùn)算放大器計(jì)算公式應(yīng)用案例圖

　　1.1 已知：Vin = 2V，R1 = 6 Ω，F(xiàn)r = 10 Ω，RL = 3K Ω。

　　1）電流 I1

　　I1= Vin/R1= 2/6 = 0.33 mA

　　2）同相運(yùn)算放大器增益 Av 可以計(jì)算為：

　　Av= 1 + （Rf/R1）

　　= 1+ （10/6） = 2.66

　　3）o/p 電壓 VO

　?。╒O） = ACL * VIN = 2.66 * 2V = 5.32V

　　VO = 5.32V

　　4）流經(jīng)負(fù)載電阻的電流 IL

　　IL = VO / RL = 5.32/3 = 1.773 mA

　　5）o/p 電流

　　可以通過(guò)將 KCL（基爾霍夫電流定律）應(yīng)用于上述電路來(lái)計(jì)算

　　IO = I1 + IL

　　IO = 0.33 mA + 1.773 mA =》 1.28mA = 2.103mA

　　1.2 在同相放大器中，如果 R1 = 50 千歐，R2 = 1000 千歐且 Vin = 2v，則計(jì)算增益和輸出電壓。

　　增益和輸出電壓：

　　AV= 1 + （R2 / R1）

　　1+ （1000/50） = 1 + 20 =》 21

　　如果輸入電壓 （Vin） 為 2v，則輸出電壓為：2 X 21 = 42v。

　　2、案例二

　　對(duì)于下圖所示的同相運(yùn)算放大器，計(jì)算如下：

　　i） 放大器的增益 ACL

　　ii）輸出電壓 VO

　　iii） 通過(guò)負(fù)載電阻的電流 I L

　　iv） 輸出電流 IO

　　同相運(yùn)算放大器計(jì)算公式應(yīng)用案例圖

　　節(jié)點(diǎn) A 位于運(yùn)算放大器的同相端，節(jié)點(diǎn) B 位于反相端（也是分壓器點(diǎn)）。上圖中未顯示這些節(jié)點(diǎn)。

　　節(jié)點(diǎn) B 的電位是 VIN，且虛擬短路：

　　V A = V B = V IN = 0.8 V

　　電流 I1 為

　　I 1 = V A / R 1 = 0.8V / 10 KΩ

　　I1 = 80 μA

　　由于運(yùn)算放大器的輸入電流為零，因此相同的 I1必須流過(guò)電阻 R f。

　　i） 同相放大器的增益

　　ACL = 1 + （R f / R 1 ） = 1 + （20 KΩ / 10 KΩ）

　　ACL = 3

　　ii） 輸出電壓

　　V O = A CL * V IN = 3 * 0.8V

　　VO = 2.4 V

　　iii） 通過(guò)負(fù)載電阻的電流

　　I L = V O / R L = 2.4 / （2 * 10 3 Ω）

　　I L = 1.2 mA

　　iv） 輸出電流

　　根據(jù)基爾霍夫電流定律 （KCL）， I O = I 1 + I L

　　I O = 80 μA + 1.2 mA

　　IO = 1.28 mA

　　六、同相運(yùn)算電路分析

　　1、同相電壓跟隨器

　　在同相電路中，輸入阻抗 Rin 增加到無(wú)窮大，反饋?zhàn)杩?R? 減小到零。輸出直接連接回負(fù)反相輸入，因此反饋為 100%，Vin正好等于Vout，使其具有1或單位的固定增益。由于輸入電壓Vin被施加到非反相輸入，因此放大器的電壓增益為：

　　同相運(yùn)放公式

　　由于沒有電流流入同相輸入端，輸入阻抗是無(wú)限的（理想條件），因此零電流將流過(guò)反饋回路。因此，任何電阻值都可以放置在反饋回路中，而不會(huì)影響電路的特性，因?yàn)闆]有電流流過(guò)它，因此它兩端的電壓降為零，從而導(dǎo)致零功率損耗。

　　同相電壓跟隨器

　　由于輸入阻抗極高，單位增益緩沖器（電壓跟隨器）可用于提供大功率增益，因?yàn)轭~外功率來(lái)自運(yùn)算放大器電源軌并通過(guò)運(yùn)算放大器輸出到負(fù)載，而不是直接從輸入。

　　然而，在大多數(shù)實(shí)際單位增益緩沖電路中都存在泄漏電流和寄生電容，因此反饋回路中需要一個(gè)低阻值（通常為 1kΩ）電阻，以幫助減少這些泄漏電流的影響，從而提供穩(wěn)定性，尤其是在運(yùn)算放大器為電流反饋類型。

　　2、交流耦合同相放大器

　　在大多數(shù)情況下，可以對(duì)電路進(jìn)行直流耦合。在需要交流耦合的情況下，有必要確保非反相器件具有一條直流到地路徑，以用于偏置 IC 內(nèi)的輸入設(shè)備所需的非常小的輸入電流。

　　這可以通過(guò)將圖中的高阻值電阻 R3 接地來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下所示。該值通?？梢詾?100kΩ 或更大。如果未插入此電阻器，則運(yùn)算放大器的輸出將被驅(qū)動(dòng)到電壓軌之一。

　　具有電容耦合輸入的基本同相運(yùn)算放大器電路

　　通過(guò)這種方式插入電阻時(shí)，要記住電容-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)在電容電抗等于電阻的頻率上。

　　同樣，應(yīng)選擇輸出電容，使其能夠通過(guò)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會(huì)很低，因此最大的阻抗可能是下一級(jí)的阻抗。

　　3、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。但這沒有那么容易實(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，可以通過(guò)創(chuàng)建通常稱為半供電軌的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　同相運(yùn)算放大器電路偏置在軌電壓的一半。通過(guò)將工作點(diǎn)設(shè)置在該電壓，可以在輸出上獲得最大擺幅，而不會(huì)出現(xiàn)削波。

　　單電源軌非反相運(yùn)算放大器電路

　　使用此電路時(shí)有幾點(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)算放大器本身的輸入阻抗會(huì)高于電阻，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等擺動(dòng)而不會(huì)發(fā)生削波。R3 和 R4 通常是相同的值。

　　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(gè)同相放大電路的輸入阻抗為 R3 并聯(lián)，R4與運(yùn)放的輸入阻抗并聯(lián)。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(huì)擾亂電路并流入軌道。電解電容不能在這個(gè)位置工作，因?yàn)樗鼈兊穆╇娏魈?，電路?huì)進(jìn)入供電軌。

　　輸入和輸出電容： 與任何電子電路設(shè)計(jì)一樣，必須選擇輸入和輸出電容以通過(guò)最低頻率而不會(huì)過(guò)度衰減。

　　4、具有兩個(gè)電壓源的同相運(yùn)算放大器

　　包含兩個(gè)電壓源配置的同相運(yùn)算放大器稱為求和放大器或加法器。所以這是運(yùn)算放大器最重要的應(yīng)用之一。在求和放大器電路中，使用了多個(gè)電壓源。

　　同相求和放大器電路使用同相運(yùn)算放大器電路的配置。在這種情況下，輸入被提供給非反相端子，而必要的負(fù)反饋和增益可以通過(guò)將 o/p 信號(hào)的某些部分作為反饋給反相端子來(lái)獲得。

　　同相求和放大器電路的主要優(yōu)點(diǎn)是輸入端沒有有效的接地條件。其輸入阻抗遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)反相放大器配置。因此，具有兩個(gè)電壓源的同相運(yùn)算放大器中的電流可以定義為：

　　具有兩個(gè)電壓源的同相運(yùn)算放大器

　　根據(jù) KCL

　　IR1 + IR2 = 0

　　（V1-V+/R1） + （V2-V+/R2 = 0

　　上式可以寫成

　?。╒1/R1-V+/R1） + （V2/R2-V+/R2） = 0

　　如果我們使上述兩個(gè)電阻相等，則 R1=R2=R

　　V+ = （V1/R + V2/R）（1/R+1/R） =》 （V1+V2/R）/2/R

　　因此，V+ = （V1 + V2/2）

　　同相求和放大器電路的典型電壓增益方程可以表示為：

　　Av = Vout/Vin = Vout/V+ = 1+RA/RB

　　Vout = （1+RA/RB）*V+

　　因此，Vout = （1+RA/RB） V+V2/2

　　同相放大器的閉環(huán)電壓增益為 AV，由 （1 + R /R） 給出。如果我們通過(guò)使 R = R 使其等于 2，則 Vout 等于所有輸入電壓之和：

　　Vout = （1+RA/RB） V+V2/2

　　如果 RA = RB 那么

　　Vout = （1+1） V+V2/2 =》 2 （V1+V2）/2

　　所以，Vout = V+V2

　　同樣，對(duì)于 3 個(gè)輸入電壓同相求和放大器配置，閉環(huán)電壓增益設(shè)置為 3，以使輸出電壓等于 3 個(gè)輸入電壓之和，如 V1、V2 和 V3。

　　七、同相運(yùn)算放大器的優(yōu)缺點(diǎn)

　　1、同相運(yùn)算放大器的優(yōu)點(diǎn)

　　可以在沒有相位反轉(zhuǎn)的情況下獲得輸出信號(hào)

　　電壓增益是可變的

　　電壓增益為正

　　使用同相放大器可以獲得更好的阻抗匹配

　　與反相放大器相比，i/p 的阻抗值較高

　　該運(yùn)算放大器電路提供最大輸入阻抗，包括其他運(yùn)算放大器優(yōu)勢(shì)

　　這種配置最常用于不同的電子設(shè)備

　　2、同相運(yùn)算放大器的缺點(diǎn)

　　與反相運(yùn)算放大器相比，同相運(yùn)算放大器不能為系統(tǒng)提供更高的穩(wěn)定性

　　根據(jù)獲得所需增益的必要性來(lái)使用級(jí)數(shù)

　　根據(jù)特定的放大器，輸入和輸出電阻會(huì)發(fā)生變化

　　放大電路沒有虛地，所以共模電壓大，抗干擾能力比較差。這樣運(yùn)算放大器就需要更高的共模抑制比，而另一個(gè)缺點(diǎn)是放大倍數(shù)只能大于1