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信号链基础知识 -- 运算放大器 基本的构建块--运算放大器Block 信号链最基本的构建块是运算放大器 (op amp) （请参见图1）。最简单的运算 放大器其实就是一个具有无限输入阻抗差动输入的器件和一个具有趋向于无穷 大增益的压控电压源。仅仅依靠这些特性的作用微乎其微，但是在 使用了各种 反馈技术以后，其就变成一款极为有用的器件了。 图 1 理想的运算放大器 从该电路中可以看到的理想的运算放大器的传输函数为： 如果 Aol （开环增益）的值非常大，那么该电路几乎没有什么价值可言。一项有 关产品数据规范的调查研究表明，在生产过程中我们无法对 Aol 的绝对值进行 严格控制。不过可以通过添加负反馈来解决该问题，如图 2 所示。 图 2 具有反馈功能的理想的运算放大器 由于在输入引脚上可以没有电流，因此流经 Ri 的电流必须要与流经 Rf 的电流 相等。用方程式表示如下： 将两项合并、设置 V2=0 并假设开环增益非常大，从而得出标准闭环增益 (Acl) 方程式： 请注意，从第一个方程式可以看出运算放大器对输入电压之间的差进行了放大。 只要运算放大器在线性模式下运行，则输入引脚就会处于相同的电压（请参见图 3）。 图 3 反相运算放大器结构的标准电路图 对于非反相结构而言，该增益方程式的结果略有不同（请参见图 4）。 图 4 非反相运算放大器的结构 如果 Aol 的值非常大，那么增益方程式则简化为： 传输函数的完整开发可以在下方相关的工具选项中看到。该函数开发还适用于 Aol 小于无穷大的情况。 首先了解这一基本构建块可以完成大量模拟计算电路的配置工作。在未来的文章 中，将多次用到此处产生的这三个基本概念：即 Aol 值非常大时的增益方程式、 限定 Aol 值时的增益方程式以及运算放大器对输出的驱动，如将输入引脚保持 在相同的电压上。 工具选项：闭环增益方程式的开发 对于非反相结构而言： 当 Aol 值非常大时，则该方程式则简化为： 这是理想条件下的闭环增益方程式，其中 Aol 值非常大。当开环增益小于理想 条件时，实际的闭环增益方程式将变为： . 由于 Aol 值将总是小于无穷大，因此在增益方程式中总会存在一些误差。通常， Aol 值可以足够大，从而该误差可以忽略不计。 反相条件下相似的函数开发： 当 Aol 值非常大时，该方程则简化为： 这是理想条件下的闭环增益方程式，其中 Aol 值非常大。当开环增益小于理想 条件时，实际的闭环增益方程式将变为： 请注意，此处的 Acl 值为非反相 Acl 值。 根据了解利用该模拟信号链的基本构建块所进行的运算 上一篇文章的理论延伸，我们可以实现一个基本应用电路。 该具有差动输入的高增益电路的名称起源于模拟计算机时代。每一个数学运算都 需要一个放大器来将一个函数与下一个函数隔离。简单来说，可以配置一个运算 放大器 (op amp)，以用于实现反相或非反相增益（见图 1）。 图 1 基本增益级 （点击放大图片） 该增益方程式表明，当 RiRf 时，反相级可能会有一个小于 1 的闭环增益 (Acl)；当 Ri=Rf 时，该增益为 -1 （反相）,该非反相级绝不可能有一个小于单 位增益 (unity) 的增益。当 Ri 为开路时，该电路就会简化为一个单位增益电 压跟随器。如果需要一个小于 1 的增益，那么就应该在放大器前面放置一个电 压分压器。 由于这是一个线性系统，所以适用线性迭加法则。因此，下面要讲的就是将两个 或更多的信号累加起来（见图 2）。 图 2 加权信号求和 为了建立这些关系，首先假设 V2=0，并以 V1 的一个函数写出 Vout 的方程式。 然后假设 V1=0，并写出 V2 的方程式。将两项合并就可以得到完整的传输函数。 可以用此处所示的部分并联方式添加更多的输入，并且利用该迭加技术可以得出 总传输函数。 与刚才的运算相比，这种可添加电压的能力更具价值。在一个设计中，很多时候 都必须进行一个电平转换，而这些电路正好可以完成这一任务。通过这些求和的 变化，也有可能实现补码运算（也即减法运算）见图 3。 图 3 差动 放大器 (diff amp) 如上那样使用线性迭加，该差动放大器的通用输出表达式为： 一种被广泛使用的应用是那些可用信号依存 (ride on) 于干扰信号中的应用 （见图4）。干扰信号被称作共模电压 (Vcm)，因为其为两个输入共有，而理想 信号为差模电压 (Vdm)。在此情况下，其