同相放大器结构原理

同相放大器结构原理
运放电路被当作运算放大器应用时，必须工作于闭环状态——将OUT 端输出电压引回IN-端构成负反馈通路，如果OUT端与IN-端直接短接，即将输出电压信号全部地引回至反相输入端，则放大器将失掉电压放大能力，处于电压跟随器的工作状态。

1、电路跟随器
图1 电压跟随器的电路形式之一
以图1中的a电路为例，以输入、输入的原始状态对地电压为0V为静态工作点，分析电压跟随器电路的工作原理。

当放大器同相输入端由原始状态跃升为1V输入信号电压时，因输入端IN+> IN-，Q1开始导通，使输出端向+15V靠近；因输出端反馈信号全部馈回IN-反相输入端的缘故，由放大器脾性可知，至IN-端电压也为1V，两输入端电压相等时，电路进入平衡状态；当IN+端输入负电压信号时，此时因IN－> IN+，Q2导通，使输出电压向-15V靠近，直至两输入端电压相等时，电路进行平衡状态。

由此
推知，当IN+端输入电源范围以内的电压信号，其输出端也必然输出相应的相等的输出电压。

由电压跟随器电路，可以找到该电路的两个基本特点：
（1）、闭环状态下，当电路达到平衡状态后（实际上，电路的控制速度非常之快，当我们下笔测量时，调整过程已经结束），两输入端电压相等，即其电压差为0V；
（2）、针对电压跟随器这个“特型电路”，其三端——两个输入端和输出端电压——是完全相等的。

若有不等，即电路是坏掉的。

上述（1）即教科书中说到的“虚短”概念，适用于一切由运放构成的放大器电路。

那么既然输入、输出电压是完全相等的（即无电压放大作用），添加该级放大器岂不是无用的？答案是否定的。

电压跟随器是一个阻抗变换器，变输入高阻为低阻输出，提高带载能力，置身于前、后级电路之间，起到隔离和缓冲作用。

如MCU信号输出端口输出2V电压信号时，因拉电流能力约1mA左右，无法直接驱动发光二极管，接入电压跟随器后，同样的电压幅度，则具备了驱动发光二极管的能力。

图2 电压跟随器的电路形式之一
网络上有句流行语：“别以为换了个马甲，就不认识你了”。

图1中的b、c电路和图2中的三种电路，虽然添加了部分元件，但从本质上看，仍然是电路跟随器电路。

图1中的b、c电路，虽然添加了R1、R2等偏置元件，但由于两输入端“虚断”的缘故，偏置元件中流过的电流近乎为零，其电压降也零，和a电路是没有区别的，只是设计者的考虑不同（有些是考虑到偏置电流的细微影响）罢了。

图2中的a电路，添加了负载电阻R3，减弱了电路空载时输出波动，起到稳定输出及消噪的作用，电路仍为电压跟随器；图2中的b电路，其(1)输出端串联了D1二极管再输出，起到选择输出电压极性的作用，后级电路只要正电压，不要负压。

其(2)输出端串联了R2电阻，起到输出级限流保护作用，避免芯片过载烧毁；图2中的c电路，电压反馈信号反应了流经R2电流的大小，当输入电压为稳定值时，输出电流也是恒定的，又称为恒流源电路。

而从输入、输出电压关系看，仍然为电压跟随器电路。

其电路的优点，是不用设计甚至不用考虑三极管Q1的工作点问题（三极管完全是被动干活的，主动调节器件是运放）。

对放大器电路来说，如何确定输入端和输出端，也是确定电路类型的前提。

如图1和图2电路中：
（1）输入端
因为流经输入电阻的电流为零，电阻两端无电压降，输入电阻的大小和有无，不会影响到输出结果，输入电阻R1的左端和右端，或近似
认为运放的两个输入端，都为信号输入端均可，此点电压值即为输入电压值。

（2）输出端
运放本身的输出端，不一定就是信号输出端。

原则是：反馈信号取自何处，何处即是输出端。

如图2中的b电路，D1负端和R2的右端才是信号输出端，该点电压是完全跟踪于输入电压的。

至于运放本身输出端到底为何电压值，是与二极管的导通压降和后级负载电流大小有关系的，是变量。

而D1负端和R2的右端的输出电压值，则是定量，永远与输入信号幅值是相等的。

关于电路跟随器电路的故障检修，在找准输入、输出端的情况下，只有一条原则：测量三端电压不等，即为故障状态，反之则为正常状态。

更为具体的检测方法，请见下文。

2、同相放大器
如果将输出电压按一定比例衰减以后，再馈入反相输入端，电路则具有了电压放大作用。

因信号是从同相输入端输入，称为同相放大器。

为了便于说明原理，以图3中的a电路（仍将输出级搬于外部）为例。

图3 同相放大器
将输出电压经R2、R3分压衰减后，再送入反相输入端，即构成同相放大器电路。

当同相输入端输入－3V电压信号，Q2导通，使输出电压往-15V靠近，由R2、R3电阻值可知，当输出端电压值为-6V时，放大器的反相输入端，即R2、R3分压点变为-3V，两输入端电压相等，电路进入平衡状态。

改变R2、R3的阻值比例，可灵活改变电路的电压放大倍数。

其电压放大倍数=1+（R2/R3）。

电路中R1为输入电阻，其值大小不影响放大倍数，R2、R3则成为不可或缺的关键器件。

运放需要与外围分压电路相互作用，构成放大器电路，至此，一个问题浮上水面：在放大器进行的放大活动中，是运放唱主角还是电阻唱主角呢?
是电阻串联分压电路在唱主角！运放仅仅是个配角，尽职尽力地自动配合分压电路，完成其分压意愿——使反相输入端电压等同于输入信号电压。

当输入电压变化时，其输出级Q1、Q2工作于可变电阻区，进行随机性的电压调整，以满足分压电路的分压要求。

图3中的b电路，在输出回路中串接了R4限流电阻，其R4右端为信
号输出端，小有改变，仍为同相放大器电路。

该电路中，只在R2有一定电阻值，电路的电压放大倍数即会大于1；当R2阻值小至导线时，电路变身为电压跟随器电路。

因而做为同相放大器，只有两种电路形式，一为同相放大器，一为电压跟随器（最小电压放大倍数为1），无法作为衰减器应用。

同相放大器（适用于运放构成的任意放大器电路）故障检修要点：（1）两输入端电压值相等，即电压差为零，是运放反馈闭环正常，处于正常放大状态的标志之一。

如图4电路的a电路为正常工作状态。

但要注意其输出电压值取决于R2、R3的电阻比例，当电阻变值时（这也是经常遇到的故障现象），会导致输出结果变坏，但起码运放电路本身是好的。

此时的判断方法时，先看R2、R3标称值，再测量反相输入端和输出端的电压值进行落实，如图4电路的a电路，简易判别方法是：已知输入电压为3V，即R3两端电压降为3V，因串联回路流过的是同一个电流（不必考虑其大小），则R2两端电压即符合3V/10k 的比例关系，如本例，当R2取值也为10k时，说明电路为2倍压同相放大器，将VR3+VR2＝输出电压，若符合，外围电路是好的，若不符合，是R2、R3有变值现象。

图4 同相放大器故障检修示例
（2）当两输入端电压不等时，该级电路已经处于异常的故障状态。

这需要进一步确定是运放本身还是外围偏置电路的故障。

（a）暂把运放电路当作电压比较器，按比较器的电路规则进行检测。

若符合比较器规则，如图4中的b电路，同相端电压高于反相端，输出端电压为13.8V，说明运放芯片是好的，故障出在偏置电路。

稍加分析可知，是反馈电阻R2断路，放大器的闭环条件被破坏，从而使放大器变身为比较器的原因。

（b）若电路连比较器的原则也不符合，如图4中的c电路所示，输入、输出电平变化连比较器的逻辑关系也不成立（电路完全不讲理了），则与外围电路不相干，可以直接判断是运放芯片坏掉，直接换运放芯片即可。

这样，对运放工作状态好坏的判断，变得有规律可循（搭下表笔即可得出确凿的判断结果），从而使检测具有了可操作性。