如何设计同相运算放大器电路

详细介绍如何设计运算放大器、运算放大器同相放大器电路，包括方程式、设计细节、电路、计算和设计技巧。

同相放大器（non-inverting amplifier ）配置是最流行和最广泛使用的运算放大器电路形式之一，并且用于许多电子电路设计中。

运算放大器同相放大器电路提供高输入阻抗以及使用运算放大器获得的所有优点。

同相运算放大器电路需要的外围和反向放大电路差不多，但它可可以提供更高的输入阻抗。

同相放大电路

设计的第一阶段之一是确定所需的实际增益水平，因为这通常是任何设计中的关键参数之一。

基本同相放大电路非常简单。

在该电子电路设计中，信号被施加到运算放大器的同相输入引脚。这样，输出的信号与输入的信号相比不会反转。

然而，反馈是通过一个电阻从运算放大器的输出连接到运算放大器的反相输入端，其中另一个电阻接地。电阻必须应用于反相输入，因为它是负反馈。

这两个电阻的值决定了反馈电平，从而控制运算放大器电路的增益。

同相放大器增益

运算放大器同相电路的增益很容易确定。计算取决于两个输入引脚的电压相同这一事实，也就是虚短。这是因为放大器的增益非常高。如果电路的输出保持在放大器的电源轨内，则输出电压除以增益意味着两个输入之间实际上没有差异。

由于运算放大器的输入阻抗很大，这导致几乎不会有电流流入运放输入引脚，这意味着流经电阻器 R1 和 R2 的电流相同，因为反相引脚相当于断开，导致R1和 R2 是串联关系。反相输入端的电压由 R1 和 R2 组成的分压器形成，由于负反馈时，两个输入端的电压相同，因此反相输入端的电压必须与非反相输入端的电压相同。这意味着 Vin = Vout x R1 / (R1 + R2)。因此电路的电压增益 Av 可取为：

例如，需要 11 增益的放大器可以通过将 R2 设为 47 k 欧姆、将 R1 设为 4.7 k 欧姆来搭建。

同相放大器输入阻抗

运算放大器同相电路的阻抗特别高--事实上这通常是该电路设计的关键特征之一。

该运算放大器电路的输入阻抗通常可能远远超过 10M Ω。

对于大多数电路应用，同相放大电路对前级的任何负载影响都可以完全忽略，因为它的输入阻抗如此之高，除非它们非常敏感。

这与运算放大器电路的反相配置有显着差异，反相放大时，运算放大器电路仅根据输入电阻器的值提供相对较低的阻抗。

设计提示和技巧

运算放大器同相放大器非常容易设计，但与任何电子电路设计一样，有一些值得主义的地方。

• 不要将 R2 设得太高：虽然运放的输入阻抗很高，但在任何运放电路中，最好始终确保 R2 的值不要选得太高，否则其他电路效应可能会加载它，并且增益可能不是预期的。根据粗略的经验法则，将 R2 值保持在 100kΩ 以下通常是明智的。

• 增益不能太大：设计运算放大器时要记住的一点是不要期望太大的增益。即使开环增益可能非常高，也不要期望在整个放大器上可以实现巨大的增益。当电压增益超过10~20 时请仔细考虑。

• 带宽不是一成不变的：虽然运算放大器具有很高的增益值，但随着频率的增加，增益值开始下降。即使反相放大器中有反馈，也需要考虑增益带宽积。不要试图从单级运算放大器电路中得到太大的增益，否则频率响应可能会受到影响。

• 确保输出不会削波（clip）：对于大多数电路来说，最大限度地减少失真非常重要。电路设计考虑因素之一必须是确保输出有足够的余量，以便最大输出电压不会接近电源轨，从而导致输出削波。当增益设计的比较大时时，通常会发生这种情况，因此值得在设计的最开始应该计算最大输出电压。

交流耦合同相放大器

在大多数情况下，可以对电路进行直流耦合。在需要交流耦合的情况下，必须确保非反相器件具有直流接地路径，以实现偏置运放内部的输入元件所需的非常小的输入电流。

这可以通过插入一个高值电阻器（图中的 R3）接地来实现，如下所示。该值通常可以为 100kΩ 或更大。如果未插入该电阻器，运算放大器的输出将被驱动到电压轨之一。

当以这种方式接入电阻时，应记住电容-电阻组合 C1 / R3 形成具有截止频率的高通滤波器。截止点出现在容抗等于电阻的频率处。

同样，输出电容器的选择应使其能够通过系统所需的最低频率。在这种情况下，运算放大器的输出阻抗较低，因此最大阻抗可能是下一级的阻抗。

单电源同相放大器

运算放大器电路通常设计为采用双电源供电，例如+9V 和-9V。这并不总是容易实现，因此使用电子电路设计的单端或单电源版本通常很方便。这可以通过创建通常称为半电源轨的方式来实现。

同相运算放大器电路的偏置电压为轨电压的一半。通过将工作点设置在此电压，可以在输出上获得最大摆幅而无需削波。

使用该电路时有以下几点需要注意：

• 偏置电压：同相放大器的偏置电压由 R3 和 R4 设置。通常运放本身的输入阻抗会高于这两个电阻值，因此可以忽略不计。通常，偏置电压设置为轨电压的一半，以使输出能够在任一方向上均匀摆动而不会发生削波。R3 和 R4 通常具有相同的值。

• 输入阻抗：这种布置的输入阻抗将低于运算放大器本身的输入阻抗。整个非反相放大器电路的输入阻抗将是与运算放大器的输入阻抗并联的R3和R4。实际上，这通常等于 R3 与 R4 并联，即 (R3 x R4) / R3 + R4)。

• 电容 C3：电容 C3 的漏电流必须非常低，否则漏电流会扰乱电路并进入电源轨。不要使用点解电容，因为它们的漏电流太高并且电路进入电源轨。

• 输入和输出电容：与任何电子电路设计一样，输入和输出电容器的选择必须能够通过最低频率而不会出现过度衰减。

同相放大电路对于需要高输入阻抗的电子设备中的电子电路设计特别有用。该同相放大电路易于搭建，实际工作可靠、良好。

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