模拟电路基础：反相比例放大器和同相比例放大器

一. 反相比例放大器

如图1所示为反相比例放大器交流模型，信号经由R1送到反相端，反相端与输出端之间跨接Rf。 R1为输入电阻，Rf为反馈电阻。 输入信号和反馈信号都加到集成运放的反相输入端(并联反馈的特征)。

图1 反相比例放大器交流模型

该电路的闭环电压放大倍数Af为

式中，负号表示uo与ui反相，故称反相放大器; 由于uo与ui成比例关系，故又称反相比例放大器。

二. 同相比例放大器

如图2所示为同相比例放大电路交流模型，输入信号经由Ri送到同相端，反相端与输出端之间跨接Rf，反相端与地之间跨接R1。 R1取样电阻，Rf为反馈电阻。 输入信号和反馈信号分别加到集成运放的同相端和反相端(串联反馈的特征)。

图2 同相放大器交流模型

图2 同相放大器交流模型

该电路的闭环电压放大倍数Af

输出电压uo与ui同相，故称同相放大器，又称同相比例放大器。 若令Rf(短路)，R1=∞(开路)，则比例系数Af≈1，此时电路便成为电压跟随器，如图3所示。

图3 电压跟随器

三. 静态偏置电压设置及注意事项

前面介绍的运算电路均为交流模型，讨论的重点是闭环电压放大倍数。 实际上，同晶体管组成的放大器需要合适的静态工作点一样，集成运放也需要合适的偏置电压。 需要指出的是，集成运放器既可以工作于单电源，又可以工作于双电源，故两种情况下静态工作点的设置也有所区别。 所以，本节内容是根据工程实际设计集成放大电路时需要注意的一些事项。

1.同相输入电路结构(单电源供电)

如图4所示为集成运算与阻容元件构成的同相比例电压放大器。 由于是单电源Ucc供电，所以需要合适的静态工作点——即静态偏置电压。 电阻R1与R2串联分压，再经电容C2、C3滤波得到稳定的中点电压，通过R3接运放的同相端，该电阻务必插入且阻值也不能太小。 因为中点电压有电容滤波，相当于交流接地，若R3不存在、输入信号交流接地; 若R3阻值太小，它相当于信号的固定负载，对信号源来说是较大负担。

电路中各元件的作用与功能见表1。

图4 同相放大器应用电路(单电源供电)

如图5所示为对称双电源Ucc与-Ucc联合供电的同相比例电压放大器。 由于是对称双电源供电，中点电压为0，即R3上端直接接地，所以不需要电阻串联分压了。

电路中各元件的作用与功能见表1。

图5 同相放大器应用电路(单电源供电)

2.反相输入电路结构

如图6所示为集成运算与阻容元件构成的反相比例电压放大器。 由于是单电源Ucc供电，所以需要合适的静态工作点——即静态偏置电压。 电阻R1与R2串联分压，再经电容C2、C3滤波得到稳定中点电压，因为信号是从反相端输入，同相端“虚地”，所以中点电压与同相端之间可以不用插入电阻(插入几千欧姆以下的电阻亦可以接受)。

电路中各元件的作用与功能见表1。

图6 反相放大器应用电路(双电源供电)

图7所示为对称双电源Ucc与-Ucc联合供电的反相比例电压放大器。 由于是对称双电源供电，中点电压为0，同相端直接接地或提供几千欧姆以下电阻接地即可。

电路中各元件的作用与功能见表1。

图7 反相放大器应用电路(双电源供电)

图4、图5、图6和图7电路中各元件的作用与功能见表1。

表1同相、反相比例放大器中元件的作用

需要指出的是，集成运放静态工作的设置方法是：偏置电压通过电阻(同相放大器)或直接(反相放大器)接集成电路的同相端，一旦设置正确，反相端、输出端的电压与同相端相等。 这也是实际工程中判断电路是否正确连接或集成电路是否损坏的重要标志。 一般情况下，分压电阻R1、R2取值范围可为几千欧至几十千欧; 耦合电容C1、C4和C5取值范围可为几微法至几十微法。

3.交流测量

为了增加读者的感性认识，依照图4、6所示电路分别搭接两个电路板。

设Ucc=10V，用低频信号发生器作为信号源，输出频率为1kHz的正弦信号。

加到放大器输入ui，调节信号幅度使输出最大且不失真，用示波器观察放大器输入、输出如图8所示。

图8 电路实测信号

a)图4测试信号 b)图6测试信号

在图8所示波形图中，输入、输出电压正负峰值纵向所占格数、挡位及电压放大倍数，见表2。

表2 示波器显示的输入、输出信号波形数据

顺便提一下，在实际电路中，无论是同相比例放大器，或是反相比例放大器，往往都会在反馈电阻Rf两端并联一只几十至几百皮法的瓷片电容，降低高频信号的增益，保证电路工作的稳定性。 因为对高频信号而言电容不能视开路，且随着信号频率的升高电容的容抗逐渐减小。 也就是说，对高频信号而言反馈回路的总阻抗减小了，高频信号的放大倍数降低，防止高频自激振荡。