两种基本运算放大器电路配置及设计工具

运算放大器具有差分输入，可设计为反相或非反相放大器（图 2）。

图 2：两种基本运算放大器配置：反相和非反相（图片来源：Digi-Key Electronics）

运算放大器的差分输入有反相输入和非反相输入，分别以减号 (-) 和加号 (+) 表示。施加到反相输入上的信号产生的输出会发生 180 度相移（反相）。相反，非反相输入的信号的输出同相。

每种配置的增益仅取决于外部电阻器 Ra 和 Rb。导致这个结果的原因是运算放大器的高开路增益，也是因为从输出到反相输入通过电阻器 Rb使用了负反馈。请注意，反相放大器的增益取决于 Rb 与 Ra 之比。非反相放大器配置的增益为 1 + Rb/Ra。

该图显示了运算放大器如何获得增益。通过在其中一个输入上累加一个补偿电压可以解决实现固定 DC 相移的问题（图 3）。

图 3：用于向反相和非反相运算放大器配置添加相移的技术。

通过一个简单的分压器即可为反相或非反相输入累加补偿电压。请注意，补偿电压会受级增益影响。在设计放大器时，必须牢记这一点。

能够提供放大、滤波或同时提供这两个功能的运算放大器电路有很多。有些运算放大器制造商会提供免费的设计工具，帮助评估这些电路，无需实际购买组件和构建原型。我们以 Texas Instruments 为例。他们提供了一个名为 tiNA-TI 的免费电路仿真程序，这是一种类 Spice 电路仿真器。Texas Instruments 还在该程序中打包提供元器件模型库和电路示例，用户能够轻松上手（图 4）。

图 4：旨在匹配驻极体麦克风与 Arduino 板的 TINA-TI 放大器/滤波器仿真。它采用 300-10,000 Hz 带通滤波器，提供的增益为 100。（图片来源：Digi-Key Electronics）

该电路使用了两个 Texas Instruments OPA337NA-3K 运算放大器。该运算放大器是为电池供电型设备设计的，支持单电源供电、偏置电流小于 10 pA 的 JFET 输入，以及 3 MHz 增益带宽积。

图 4 中的 OP1 配置为非反相放大器，增益为 10 (20 dB)。OP2 设置为多反馈低通滤波器，截止频率为 10 kHz。该级的增益也为 10。这两个级联级提供的整体增益为 100 (40 dB)。输入是 AC 耦合型，上限截止频率大约为 300 Hz。加上低通滤波器，构成覆盖 300 至 10,000 Hz 频段的带通滤波器。

使用内置虚拟仪器，例如 DVM、信号发生器、示波器和信号分析仪，可以测试电路性能。电路性能显示在虚拟信号分析仪上。该图显示了作为频率函数的增益。它验证了 300 Hz 至 10 kHz 频段上的增益为 40 dB。

通过 R4 和 R5 设置的分压器也会造成偏压，为处理器 ADC 产生 2.5 伏的电压偏置。

最终放大器电路（图 5）显示了驻极体麦克风及其偏置电阻器。

图 5：包括驻极体麦克风及其相关偏置电阻器的放大器完整原理图

这是最终版电路，使用与 Arduino 板相同的 5 伏电源供电。电阻器 R1 为麦克风提供必需的偏置电流。所有其他元器件都与图 4 中的仿真放大器相同。

过去，运算放大器一直用于微分方程求解。这就需要对信号进行微分和积分运算。使用这种功能，可对加速计的输出进行一次积分运算，以读取速度。如果速度信号进行了积分运算，则输出就是位移。这意味着使用运算放大器对信号进行积分运算，信号传感器的输出可以产生三个不同的信号。从单个加速计可以读取加速度、速度和位移（图 6）。

图 6：使用双积分器从提供加速度信号的加速计产生加速度、速度和位移读数。

来自加速计的信号被直接输出；它还进行一次积分运算，以产生速度输出。速度信号再进行一次积分运算可产生位移信号。

该积分器在其反馈回路中使用了带有电容器的运算放大器。在本例中，后面还使用了第二运算放大器，作为低通滤波器连接以限制产生噪声的信号带宽。这种技术在多种商用加速计信号调节电源中都有使用。

使用运算放大器作为积分器时，要记住以下几点。第一，积分器经常出现漂移；来自运算放大器的任何偏置电流都会在反馈电容器上积累电荷，从而导致输出电压。使用偏置电流极低的运算放大器，例如 TL081 和 OPA337，可以最大程度地减少这个问题。

当信号进行积分运算时，会为信号加上一个积分常数。这个常数的值取决于初始条件。该电路使用 AC 耦合来消除这些 DC 常数。结果是速度和位移信号仅读取相对值。因此，在位移信号中，您只能看到位移的变化，而不是绝对位移。对于振动测量等应用而言，这不会有任何问题，因为它们只需要位移的变化。但它不能用于确定加速计位置的绝对变化。