在学过了无源元件、二极管、晶体管、FET 之后，本文将带大家来复习一下运算放大器，以及使用了运算放大器的放大器电路和比较器。

方便多用途的集成电路 —— 运算放大器

运算放大器是一种可以进行数学运算的放大电路。运算放大器不仅可以通过增大或减小模拟输入信号来实现放大，还可以进行加减法以及微积分等运算。所以，运算放大器是一种用途广泛，又便于使用的集成电路。

图 1：运算放大器的电路符号

如图 1 所示，运算放大器的电路符号有正相输入端 Vin（+）和反相输入端 Vin（－）两个输入引脚，以及一个输出引脚 Vout。实际上运算放大器还有电源引脚（+电源、－电源）和偏移输入引脚等，在电路符号上没有表示出来。

运算放大器的主要功能是以高增益放大、输出 2 个模拟信号的差值。我们将放大 2 个输入电压差的运放称为差动放大器。当 Vin（+）电压较高时，正向放大输出。当 Vin（－）电压较高时，负向放大输出。此外，运算放大器还具有输入阻抗极大和输出阻抗极小的特征。

即使输入信号的差很小，由于运算放大器有极高的放大倍数，所以，也会导致输出最大或最小电压值。因此，常常要加负反馈后使用。下面让我们来看一个使用了负反馈的放大器电路。

运算放大器的基本① - 反相放大器电路

图 2：反相放大器电路

如图 2 所示，反相放大器电路具有放大输入信号并反相输出的功能。“反相”的意思是正、负号颠倒。这个放大器应用了负反馈技术。所谓负反馈，即将输出信号的一部分返回到输入，在图 2 所示电路中，象把输出 Vout 经由 R2 连接（返回）到反相输入端（－）的连接方法就是负反馈。

我们来看一下这个反相放大器电路的工作过程。运算放大器具有以下特点，当输出端不加电源电压时，正相输入端（+）和反相输入端（－）被认为施加了相同的电压，也就是说可以认为是虚短路。所以，当正相输入端（+）为 0V 时，A 点的电压也为 0V。根据欧姆定律，可以得出经过 R1 的 I1=Vin/R1。

另外，运算放大器的输入阻抗极高，反相输入端（－）中基本上没有电流。因此，当 I1 经由 A 点流向 R2 时，I1 和 I2 电流基本相等。由以上条件，对 R2 使用欧姆定律，则得出 Vout=－I1×R2。I1 为负是因为 I2 从电压为 0V 的点 A 流出。换一个角度来看，当反相输入端（－）的输入电压上升时，输出会被反相，向负方向大幅度放大。由于这个负方向的输出电压经由 R2 与反相输入端相连，因此，会使反相输入端（－）的电压上升受阻。反相输入端和正相输入端电压都变为 0V，输出电压稳定。

那么我们通过这个放大器电路中输入与输出的关系来计算一下增益。增益是 Vout 和 Vin 的比，即 Vout/Vin=（－I1×R2）/（I1×R1）=－R2/R1。所得增益为－表示波形反相。

在这个算公式中需要特别注意的地方是，增益仅由 R1 和 R2 电阻比决定。也就是说。我们可以通过改变电阻容易地改变增益。在具有高增益的运算放大器上应用负反馈，通过调整电阻值，就可以得到期望的增益电路。

运算放大器的基本② —— 正相放大器电路

图 3：正相放大器电路

与反相放大器电路相对，图 3 所示电路叫做正相放大器电路。与反相放大器电路最大的不同是，在正相放大器电路中，输入波形和输出波形的相位是相同的，以及输入信号是加在正相输入端（+）。与反相放大器电路相同的是，两个电路都利用了负反馈。

我们来看一下这个电路的工作过程。首先，通过虚短路，正相输入端（+）和反相输入端（－）的电压都是 Vin，即点 A 电压为 Vin。根据欧姆定律，Vin=R1×I1。另外，运算放大器的两个输入端上基本没有电流，所以 I1=I2。而 Vout 为 R1 与 R2 电压的和，即 Vout=R2×I2+R1×I1。整理以上公式可得到增益 G，即 G=Vout/Vin=（1+R2/R1）。

如果撤销这个电路中的 R1，将 R2 电阻变为 0Ω或者短路，则电路变为增益为 1 的电压跟随器。这种电路常用于阻抗变换和缓冲器中。

输入值的判定 —— 比较器

Comparator 也可称为比较器，比较两个电压的大小，然后输出 1（+侧的电源电压，图示为 VDD）或 0（－侧的电源电压）。比较器常常用于检测输入是否达到规定值。也可以用运算放大器来代替比较器，但一般情况下使用专用的比较器 IC。比较器和运算放大器使用相同电路符号。

比较器电路如图 4 所示。我们来看一下这个电路的工作过程。首先应该注意，这个电路中没有正反馈也没有负反馈。放大 Vin 和 VREF 的差值，从 Vout 输出。例如，Vin 大于 VREF 时，放大输出的 Vout 上升至+侧的电源电压，达到饱和。Vin 小于 VREF 时，输出 Vout 下降至－侧电源电压达到饱和。

通过这个动作，Vin 和 VREF 的比较结果在 Vout 上输出。

实际应用中，一般使图 4 电路上产生滞后（用于防止错误动作的电压领域），如图 5，Vin 会产生一些噪波，但仍可稳定动作。

图 4：比较器电路

图 5：有滞后效应的比较器电路

利用正反馈的发振电路

负反馈动作中，从输出返到输入的信号越大，则输出越小。于此相反，正反馈中，从输出返到输入的信号越大，则输入越大。当正反馈动作中增益大于 1 时，电路振荡。将这种振荡合理利用到电路中，就形成振荡电路。

图 6 的不稳定多谐振荡器就是一个振荡电路。

图 6：不稳定多谐振荡器电路

+侧最大值 VL 和－侧最大值 VL 都是不稳定的，两个数值不断变化，因此称之为不稳定。我们来看看这个电路中的动作。首先，输出 Vout 经由 R2 反馈至正相输入端（+），这是一个正反馈电路。然后在输入 Vout 上应用 R3 和 C，这是一个积分电路。大家可能会觉得积分电路很难，实际上，我们可以将它简单理解为，输出在 Vout 上的电压的一部分，缓缓储存到电容器的一个过程电路。在初始状态中，通过正反馈电路 Vout 迅速增大并达到最大值（VL）。

然后，通过 R3 和 C 构成的积分电路，缓缓增加反相输入端（－）。经过一定时间，正相输入端（＋）的电压超过反相输入端（－）电压，相当于在差动输入上输入负电压，则 Vout 在负侧上迅速增大达到－VL。Vout 变为负，通过 R3 和 C 构成的积分电路，反相输入端（－）电压缓缓增大。经过一定时间后，反相输入端电压超过正相输入端（＋）的电压，相当于在差动输入上输入了正电压，则 Vout 向正方向迅速变化。这个过程不断重复，在 Vout 交替出现 VL 和－VL，从而实现振荡电路动作。

电子电路入门知识分 3 次讲述，到今天已经全部结束。我们仅就要点简单复习了一下，大家理解了吗？
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