同相放大电路在线视频

大家好

我们今天来学习同相放大电路

本节的学习目标为

1.理解同相放大电路的工作原理

能够分析其电路特点

2.能够利用所学的知识来设计同相放大电路

3.能够利用电路仿真确定电路元件参数

并能分析元件参数对电路输出的影响

同相放大电路的原理图，如图所示

反相端接地

输入信号ui

作用在同相端

输出信号uo通过电阻R₂

反馈到反相端，属于负反馈

使得运算放大器工作在线性放大状态

假设反相端和同相端

两端的电压分别为uN和uP

流过

电阻R₁和电阻R₂的电流

分别为i₁和i₂

根据“虚短”可以得到

uN=uP=ui

根据“虚断”可以得到

电流

i₁=i₂

所以就可以得到

（0-uN）/R₁等于

（uN-uo）/R₂

我们将un=uP等于ui

带入上式可以得出uo=（1+R₂/R₁）倍

的ui

这样我们就得到了同相放大电路的

输入输出关系

uo=（1+R₂/R₁）*ui

放大倍数K=（1+R₂/R₁）

输出与输入相位相同

所以称为同相放大电路

我们再关注一下此电路的

输入阻抗

输入电压为ui

输入电流

约为0

输入阻抗

Rin等于

输入电压除以输入电流

等于正无穷

可以看出输入阻抗很高

在设计同相放大电路时

我们要考虑电阻R₁和R₂的取值

首先应该满足

放大器的放大倍数

K=（1+R₂/R₁）

R₁的取值应该接近

前一级电路的输出电阻

因为为了实现电路放大

R₂一般情况都是大于R₁

R₁和R₂的并联电阻

要与前一级的输出电阻相当

大多数情况

同相放大电路都是用在前一级

放大电路输出阻抗较大的情况

所以电阻R₁的值应该接近

前一级电路的输出电阻

如果电阻R₁阻值很大

为了满足增益

R₂的阻值将会更大

这样就面临难以选择

此时应该选择如右图所示的电路形式

在此电路中

电阻R3的阻值还是满足

和前级电路输出电阻相似

同时满足电阻R₃远远大于

R₁和R₂的情况下

同样可以获得电路增益为

K=（1+R₂/R₁）

在设计交流放大电路时

可以采用如右图所示的电路形式

这里需要注意的有（1）电阻R₃为

运算放大器提供偏置电流，不可以省略

（2）电容C₁和电阻R₃

形成高通滤波电路

其截止频率为

fHC=1/（2πR₁C₁）

接下来我们用电路仿真的形式

来看一下同相放大电路的电路特性

主要是考察电路外围的

元器件的参数以及对电路性能的影响

我们来看这是一个基本的

同相放大电路由LM324AD组成

我们用信号发生器产生一个

200Hz1.415的

振幅的一个信号

用左边传感器来测量它的输入

此时输入信号为100mV的一个直流信号

我们用右边这个万用表

也就是这个万用表来测量

它的输出的有效值

用示波器来观察它的输入输出波形

此时我们发现它的输入电阻R₅

为10MΩ

此时是开路

没有接地

我们来看一下此时它的输出情况

我们发现

输出电压

有效值达到了16.56V

说明此时同相放大器已经达到了饱和状态

所以我们说它的输入电阻不能开路

因为如果开路

就不能为运算放大器提供正相偏置电流

那么运算放大器就不能工作在正常的状态

所以输入电阻R₅不能开路

现在我们让输入电阻R₅接地

也就是说

此时的输入电阻为10MΩ

也相当于前级的输出电阻大于10MΩ

输入信号

依然是0，因为是接地

此时我们来看一下它的输出信号

当然此时的

放大倍数为十倍

我们来仿真一下

我们发现此时的输出

为3.75V

显然已经产生了很大的误差

因为我们此时的输入信号为0

而输出为3.75

误差很大

接下来呢我们让输入电阻端

输入一个100mV的直流信号

此时

输入信号为100mV的直流

经过同相放大

我们来看一下它的输出信号

从此万用表中

我们发现它的输出信号的

有效值为4.74V

因为此时同相放大电路的放大倍数为十倍

理论来讲

输入信号为100mV

放大十倍之后

输出信号应该为1V

而此时输出了

4.748V的一个输出信号

显然

误差很大

此输出是不可以接受的

这是由于输入端的电阻不平衡

使得偏置电流在输出端有一个很大的误差

此时的误差是3.7V

已经很大了

接下来我们把输入电阻R₅

去掉

让同相端直接接

100mV的信号

相当于前级输出电阻很小

此时我们来看一下它的输出

仿真一下

输出结果

为994.412mV

因为输入信号为100mV

放大倍数是十倍

理论上值

应该为1V

现在有千分之六的误差

此时的精度还是较高的

所以综合以上几种仿真结果

我们在输入开路或者说

输入有很大的电阻时

输出均带来很大的误差

而且此误差是无法接受

此时呢我们再把电路换一下

我们把反相端的电阻R₁变成10MΩ

R₂呢变成90MΩ

输入信号依然是100mV

输入电阻呢是10MΩ

我们来看

此时的放大倍数依然是十倍

我们观察一下它的输出结果

从万用表可以读出它的

输出电压为1.336V

理论上讲

它放大十倍之后

应该是1V，现在有0.33V的误差

误差在百分之三十以上

显然此时的误差也很大

此时呢我们把电路形式换一下

我们换一个T形网络

在这里是一个T形网络

输入信号依然是

100mV

那么

放大倍数依然是十倍

我们来看此时的输出信号

从万用表中可以看到

此时输出的电压的有效值为953mV

误差约为百分之五

此时它的精度

已经较高

接下来

我们把输入端接入一个高通滤波电路

也就是说看它交流放大的情况

我们

输入信号为1V有效值为1V

放大倍数依然是十倍关系

啊，C和R₅

提供一个高通滤波

此时我们看一下输出

我们发现

万用表显示它的输出电压的

有效值为9.994V

理论上值放大十倍之后应该是10V

此时的精度已经很高了

接下来

我们再看在交流放大电路的基础上

在满足有高通滤波器的基础上

在输入端加入一个跟随器

我们来看此时的输出信号

输入信号为100mV

放大倍数依然是十倍

此时的输出电压的有效值为

999.143V

误差在万分之一

我们从示波器中可以发现

它的输入和输出波形

已经很完美的重合在一起

此时的电路精度已经非常高

最后我们对本节进行一下总结

1.同相放大器具有较高的输入阻抗

2.在前级电路输出阻抗较高时

需要保持运算放大器

两个输入端的电阻匹配

以避免

输入偏置电流带来的误差

3.同相放大器有几种变形形式

跟随器是一种特殊的同相放大器

在进行阻抗匹配时经常用到

4.在设计交流同相放大器时

需要为同相输入端提供输入

偏置电流的通道

同时还要保持输入阻抗

不能降低

好，本节就讲到这里

再见