运放及仪表放大器电路解析
运放及仪表放大器电路解析
运放（运算放大器）是电子工程中一种重要的放大器件，广泛应用于各种信号处理电路中。本文将详细介绍几种常见的运放电路及其工作原理。
1. 反相比例放大电路
反相比例放大电路是最基本的运放电路之一，其特点是输入信号从反相输入端输入，输出信号与输入信号反相。
输出电压计算公式：
Vout = -ui * (R3/R1)
其中，R2为平衡电阻，其值应满足 R2 = R3 // R1（//表示并联）。平衡电阻的作用是平衡两相流过的偏置电流在电阻上产生的电压。由于运放虚短，R2无电流流过，Up为虚地，因为虚短，Un也为虚地，所以输入阻抗=R1。这种电路的缺点是输入电阻较小，等于R1。输入电阻越大所需的驱动电流越小，输入电阻越大越好，而R取太大容易引入噪声。因此可引入T型反馈网络：
电路的输入电阻仍是R1，这时R1可取大值电阻，只要R3、R4取大值电阻，R5取小值电阻，电路仍可获得较大的电压放大倍数。并非所有运放都需要加平衡电阻，有些运放内部集成了补偿电路，加了平衡电阻反而会增加误差，如OPA227。
2. 同相比例放大电路
同相比例放大电路的特点是输入信号从同相输入端输入，输出信号与输入信号同相。
输出电压计算公式：
Vout = ui * (1 + R3/R2)
这种电路的输入阻抗较高，约为运放内部阻抗趋于无穷大，输出电阻很小。因此，在放大时应尽量采用同相比例放大电路。
3. 电压跟随器
电压跟随器是一种特殊的同相比例放大电路，其特点是输出电压等于输入电压。
输出电压计算公式：
Vout = ui
电压跟随器具有输入电阻高（运放内部阻抗）、输出电阻低（接近0）的特点，常作阻抗变换和缓冲级。但并不是所有运放都可以这样接，数据手册上写unity-gain stable（单位增益稳定）的可以这么接，如果数据手册上写了增益大于多少才稳定的是必然不能这么接，其余没有标明的则需实验验证。有的情况需考虑输入到运放的电流，需在输入端串入电阻。
4. 加法运算电路
加法运算电路可以实现多个输入信号的加法运算。
4.1 反相加法
平衡电阻R5 = R1 // R2 // R3 // R4
4.2 同相加法
如果R1 = R2 = R3 = R4，则Vout = ui1 + ui2。同相加法电路应用比较多，常用来为带负压部分的信号整体往上抬电压实现电压偏置。
5. 减法运算电路（差分放大电路）
差分放大电路可以实现两个输入信号的差分运算。
电阻R3的平衡公式为R2 // R4 = R1 // R3。差分放大电路输入电阻 = R1 + R2，所以差分放大电路有输入电阻低的缺点，其显著优点是有着较大的共模抑制比，但是R1，R2每有1%的误差，共模抑制效果就会下降十倍左右。如果R1 = R2，R3 = R4时，并且R4可小于R1或R2，即可以缩小。目前也已有集成的精密差分放大器，其内部电阻精确度超过千分之一，如下INA143, INA2143。
6. 测量放大电路（仪表放大器）
在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量（如温度、压力等）的变化变换为电信号，再进行处理和显示。由于此电信号的变化量常常很小，一般只有几十微伏到几十毫伏，所以要将电信号的变化量加以放大才能进行后续处理。特别适合测量惠斯通电桥和人体信号。
仪表放大器由运放A、A组成差电路，信号从同相端输入，输入电阻很高，A组成第二差分电路，对A、A2的输出信号进行差分放大。电路具有很强的共模抑制能力和小的漂移电压，同时，可以具有较高的差模电压放大倍数。目前已有做好的集成芯片，如INA128，INA828，以及可编程增益的ADG1611, AD620。
仪表放大器与差分放大器一个重要的区别就是仪表放大器不能浮空。输入电路必须为该输入偏置电流提供一条通路，才能正常工作。图64显示了输入偏置电流路径的各种规定。没有偏置电流路径，输入浮到超过INA828共模范围的电位，输入放大器饱和。如果差分源电阻较低，则可以将偏置电流返回路径连接到一个输入端(如图64中的热电偶示例所示)。对于较高的源阻抗，使用两个相等的电阻提供了一个平衡的输入，并且由于偏置电流和更好的高频共模抑制而具有较低的输入失调电压的可能优点。