硬件基础：运放

理想运算放大器

理想运算放大器放大倍数无穷大；输入端阻抗无穷大，所以输入端电流为0；输出电压和负载无关，不管负载怎么变化，输出电压都是固定的。

还有个就是输出阻抗为0；

输出阻抗越小，输出时就能不被衰减，越能得到接近理论的值；

当理想运算放大器引入负反馈时：

此时，输入端还是阻抗无穷大，所以输入无电流；另外就是两端输入的电压相等；

这两条就是运放最基本的概念：

虚短（正负输入端短接，电压相等）；

虚断（输入阻抗无穷大，输入端电流为0）；

注意，运放必须要有负反馈，否则无法实现其功能，因为它在设计上就是如此。

必须要有负反馈网络。

另外，运放是个有源器件，在工作时需要提供电源。

输入端分为同相输入端和反相输入端。

注意，运放既可以单电源供电，此时-VCC可以直接接地；也可以双电源供电，此时+VCC和-VCC接正向电源和负向电源两个电源；

有何区别呢？

单电源电压范围在0~+VCC之间，也就是说，无法输出比0更小的电压，即无法输出负电压，遇到负电压的时候，直接就输出0了，所以正负输入的时候，只能>=0输出；

双电源可以输出正负电压，所以正负输入的时候，也可以正负输出。

注意，负反馈是运放稳定放大倍数的关键。所以必须要有。

负反馈，这里指的是作用在反相的反馈。

负反馈在自然界广泛存在，因为只有负反馈才能让状态达到平衡，小了就反馈后调大些，大了就反馈后调小些，然后达到平衡，才能稳定。

对于放大器来说，不管是哪种放大器，反馈都是作用在反相端。

同相放大器

记住：反馈永远都是反馈到反相。

同相放大器是指，输入信号是从同相端输入的。

此时，输入端接不接电阻都行，反正都是虚断的，电流为0。

其反馈的结构是先串两个电阻到地，然后从两个电阻中间反馈到反相端。

同相放大器特别适合于放大正向的直流信号。

因为输出信号的正负和输入信号的正负是一致的，不会反相，此时只要单电源供电就行了，节约成本。

同相放大器的放大倍数是1+Rf/Rg，我们可以对其稍加调整，就能使其放大倍数为Rf/Rg了，这样可以简化后续的计算过程。

调整后结构如下：

其实就是在同相信号输入端加入了两个电阻，因为虚断，所以这两个电阻实际上是串联关系。具体计算过程直接参考看的视频，这里就不赘述了。

同相加法器

跟同相放大器相比，就是在输入端有若干个输入源并联，并且各支路都要加上电阻。

一般都会让各支路的输入电阻相同。

其实可以用叠加定理求出输入端的等效输入电压，然后就是对等效输入电压进行放大。

本质上，还是个同相放大器，只是对输入端电压玩了一些花样。

反相放大器

记住：反馈永远都是反馈到反相。

但是和同相放大器不同的是，反相放大器的信号就是从反相端输入的，所以此时这两个电阻不是接地，而是直接接到输入信号。

然后，正相端接了地。

可以看到，反相放大器的输出和输入是反相的，放大倍数为-Rf/Rg。

试想下，如果Rf比Rg小，是不是就能当做衰减器来用？

理论上是这样，但有专家提到，当Rf比Rg小的时候，可能会出现震荡，不推荐这样来用。

反相放大器一般都要接双电源，因为交流情况下会有负值，正直流情况下还是负值，往往不太方便我们使用和计算。

反相加法器

反相加法器本质上就是个反相放大器，只是对输入端电压玩了一些花样。

就是把每个输入支路单独作用时的输出相加即可。

差分放大器

之前的同相或者反相，都是将某一端的信号进行放大。

差分放大器，是放大两端之差。

注意，是正相端电压减去反相端电压，不要弄反了。

放大倍数就是Rf/Rg。

这里的U0其实可以直接接地，此时，就没有基线抬升了。差分放大器一般可以将U0引出来，然后外部根据情况施加基线电平。

差分放大器同相端和反相端输入阻抗不相等。

运放缓冲器（电压跟随器）

运放可以设计成为运放缓冲器，或者叫电压跟随器。

同相输入电压是多少，输出电压就是多少。

既然电压不变，那为什么不直接接电源，反而要经过一个运放呢？

这就是为了克服电压源“有伴”的问题，即使电压源有寄生电阻，也不会影响影响到负载的电压。本来有伴的话，寄生电阻会分掉一部分电压，但是接了运放，就不会分压了。

运算过程如下：

Rf=0时，就没有放大倍数了，即实现了电压跟随的效果，同时因为虚断，电源寄生电阻也不会分压了。

特征就是：输出端直接和反相输入端短接。

这里反馈接不接电阻是一样的效果，因为输出=input，又因为虚短所以，input=反相端电压，由此可以，输出端电压就等于反相端电压，所以反馈上其实电流为0。

衰减器

看图

其实就是个电压跟随器，就是在输入端做了个分压，看着好像是被衰减了，其实在输入之前就已经被分压了。

恒流源

就是输出电流只和输入电压以及R0有关，与负载无关。

但是因为输出端没接地，是悬空的，所以不太好用。

暂时了解即可。

基线抬升

有两个基本事实：

1、处理直流信号比交流信号要更方便；

2、运放使用单电源供电会比双电源供电更能节省成本。

所以，很多时候，我们都会使用单电源来给运放供电，这样输出信号就能映射到0到+VCC之间了，使得后续对信号的处理更便捷。

但是有时候，我们的输入信号有正有负，而单电源供电时运放的输出只有正，如果有负电压输出，则不会正常输出对应的电压值。

怎么解决呢？

此时就可以将原电压值进行基线抬升，其实就是在原电压的基础上，加上一个恒定电压，这样就能保证所有的输出电压值都在0点以上。

运放的最大输出电压是+VCC，而正弦信号是上下对称的，所以一般抬个+VCC/2即可。

电容隔离单电源同相交流放大器

这种方案对低频信号不友好。

注意，R2要接到V+上；

直接耦合单电源同相放大器

注意，R2要接到V+上；

电容隔离单电源反相交流放大器

直接耦合单电源反相放大器

探究输入阻抗

运放的输出阻抗为0。所以我们重点研究下输入阻抗。

什么是输入阻抗？

简单理解就是从输入端看进去的等效电阻：

同相放大器的输入阻抗-无穷大

无穷大的那条路相当于断路。

变形的同相放大器的输入阻抗-Rf+Rg

无穷大的那条路相当于断路。

反相放大器的输入阻抗-Rg

无穷大的那条路相当于断路。

对于差分放大器来说：

反相端输入阻抗为Rg；正向端输入阻抗为R1+R2；我们一般取R1=Rg，R2=Rf；

此时：

反相端输入阻抗为Rg；正向端输入阻抗为Rg+Rf；

显然二者不相等；

也就是说，此时差分放大器的两端输入阻抗不相等，这有时会带来一些问题，那就是无法很好地抑制共模干扰。

如果需要提高共模抑制比，我们往往需要让差分放大器两端的输入阻抗相等。

经计算，当满足如下条件时，可实现这一需求：

这就是等输入阻抗的差分放大器，能更好地抑制共模干扰。