文 / Edward

比例放大器

在做模拟信号处理的时候，有时候由于信号的幅度太小，不利于后续的电路处理，因此需要预先将小信号进行放大。做放大的时候，就要运用运放了。基本上只要有模拟信号的地方，都会用到运放。注意这里的运算放大器，不仅仅只是对电压信号进行简单的放大，这里更加体现的重点是“运算”。比例放大电路将一个信号等比例放大的电路是比例放大电路。这里请注意，如果一个信号是交流信号，即有负半周部分，则应当使用如μA741之类的双电源运放；如果处理仅有正半周的信号时，则应当选择如LM324之类的单电源运放，如果不按照这个方式选择运放，则会产生一个为电源电压一半的直流偏置，不利于后续处理。比例放电电路有两种，一种是正向电压放大器，如图1所示；一种是反向电压放大器，如图3所示。图1中VOUT和VIN之间的关系为：

图1 正向电压放大器

这里假设有一个信号S，其为频率1K，幅度0.1V的正弦信号，需要设计一个10倍的放大电路将其放大至1V。则设计的电路及波形如图2所示。

图2 正比例放大器的电路及波形

另一种放大器为反相放大器，或者称反比例放大器。对于周期信号来说，反相放大的即是指将其信号的相位移90度。如图2-7所示。图3中VOUT和VIN之间的关系为：

图3 反向电压放大器

这里假设有一个信号S，其为频率1K，幅度0.1V的正弦信号，需要设计一个10倍的放大电路将其反向放大至1V。则设计的电路及波形如图4所示。

图4 反比例放大器的电路及波形

本文对于模拟电路的讲解，仅限于一些结果的呈现，由于内容比较繁多，因此如果模拟电路基础薄弱的，还需多花时间进行系统学习。 电压跟随器与反相器电压跟随器，其实可以看成是一种特殊的运算放大器，即输入电压信号与输出电压信号的幅值比例为1，相位差为0，即增益为1的运算放大器。有些读者可能会有疑惑，增益为1，那岂不是相当于一种直来直往的器件？内部是否任何工作都没有做？其实不然，先看一下图5展示的电压跟随器及其波形，后续再做详细讲解。

图5 电压跟随器电路及其波形

电压跟随器

电压跟随器虽然对信号相当于未作任何处理，但是其存在的必要性是无法代替的，主要目的是改变两个电路系统之间连接的阻抗。对于我们后续的设计中，如果有多级电路串联来传递信号的，那么应该第一反应就是考虑是否需要加跟随器。先看电压跟随器是如何改变电路连接的阻抗的。假设有一个电阻分压的电路，对一个正弦波进行分压，并且送给另一个采样电路去采样，且采样电路的输入阻抗为10K。如图6所示。

图6 电阻分压采样示意图

图6，很明显可以看到电阻R2和R3处于并联关系，因此其总阻抗其实是变成了10K左右，本来R1是和R2的分压，结果变成了R2和R3的并联等效电阻的分压了，这就造成了后级电路对前级电路的影响，是我们所不期望的。运放由于其特性，决定了它的输入阻抗是非常大的，近似可以看作输入短路，这叫“虚断”。因此将其组成电压跟随器加在两级电路中间，可以基本隔绝两端电路的相互影响，又对传输信号没有任何影响，如图7所示。

图7 电压跟随器隔离电路

关于第二个信号延时功能一会再说，先来看反相器。反相器，顾名思义就是增益为-1的运放，即输出信号与输入信号的幅度相等，相位相差90度。如图8所示。

图8 反相器及其波形

反相器比较好理解，这里就不做过多解释了。 

加法器和减法器

加法器和减法器可以看作一个类型的器件，当有两个电压信号S1，S2，需将其叠加输出，产生S3，使得S3=S1+S2。那么其电路如图9所示。

图9 加法器电路

图10 减法器电路

而想要实现减法器，即S3=S2-S1，参考图10。

假定R4/R3=n，只需修改n的值，则可以实现减法比例放大，且满足S3=n*(S1-S2)。这个可以自己去尝试，需要注意的是，R1的值一定要和R4相等。