使用单电源的运放交流放大电路(含同相和反相输入式)教学教材
单电源交流耦合同相放大器和反相放大器
单电源交流耦合同相放大器和反相放
大器
单电源交流耦合同相放大器和反相放大器是两种常见的放大器
电路设计，常用于需要单电源供电的电路中，例如便携式电子设备或需要节省成本的应用中。
它们在单电源环境下能够有效地放大交流信号。
同相放大器（in-phase amplifier）：同相放大器也被称为非反向放大器，它的输出信号与输入信号在相位上保持一致。
在单电源环境中，同相放大器通常使用交流耦合技术，即将输入信号通过一个电容耦合到放大器的输入端，以实现直流隔离并保持放大器的工作点稳定。
同相放大器的输出信号与输入信号的振幅成正比，可以用于放大交流信号。
反相放大器（out-of-phase amplifier）：反相放大器的输出信号与输入信号在相位上相反。
在单电源环境中，反相放大器通常使用交流耦合技术，同样也是通过一个电容将输入信号耦合到放大器的输入端。
反相放大器的增益是负的，即输出信号与输入信号的极性相反，但其振幅与输入信号的振幅成正比。
这种放大器通常用于需要反向放大或相位反转的应用。
在这两种放大器中，交流耦合技术是常用的技术，通过电容将输入信号和输出信号与直流分量隔离开来，以确保放大器的工作点稳定，并且使其适用于单电源供电环境。
这种技术能够在单电源环境下实现有效的交流放大。
反相比例和同相比例运算放大器
课题反相比例和同相比例运算放大器所属章节第三章：集成运算放大器教学目的能熟练应用集成运算放大器教学重点1、比例运算放大器的结构2、电压放大倍数的计算3、电路特点教学方法讲授法、多媒体课件教学课题引入基本运算放大器包括反相输入放大器和同相输入放大器，它们是构成各种复杂运算电路的基础，是最基本的运算放大器电路。
授课内容一、反相运算放大器1、电路结构R1：输入电阻R f：反馈电阻，引入电压并联负反馈R2：平衡电阻，要求R2=R13、输入电阻和输出电阻因为电路引入了深度电压负反馈，所以输出电阻很小（Ro≈0），因为从电路输入端和地之间看进去的等效电阻等于输入端和虚地之间看进去的等效电阻，所以输入电阻 Ri=R1。
二、同相比例运算放大器1、电路结构R1、Rf:反馈电阻，引入电压串联负反馈。
R2：平衡电阻，要求R2=R1//Rf该电路不存在“虚地”，引入的共模信号较大。
1RRvvA fiovf-==2、闭球电压放大倍数3、输入电阻和输出电阻因为电路引入了深度电压负反馈，所以输出电阻很小（Ro≈0）。
根据“虚断”概念，该电路的输入电流等于0，所以输入电阻很大（Ri=∞）。
三、反相器和电压跟器思考：如何利用反相比例运算放大器和同相比例运算放大器实现：1、vo=-vi（反相器）2、vo=vi（电压跟随器）在反相比例运算放大器中，只要令R1=Rf，即可实现vo=-vi，从而实现反相器的功能。
在同相比例运算放大器中，只要令R1=0或Rf=∞，即可实现vo=vi，从而实现电压跟随器的功能。
课堂练习1、电路如图，当开关S断开时电压表的读数为2V，则当开关S闭合后电压表的读数是多少？2、电路如图，已知VI=2V，则电压表的读数是多少？并在图中标11RRvvA fiovf+==出电压表的极性。
小结1、由集成运算放大器组成的反相相比例和同相比例运算放大器的电压放大倍数均与集成运放本身参数无关，只与外接电阻有关。
2、反相比例运算放大器存在“虚地”现象，因引入的共模信号小，应用更为广泛。
单电源运放交流放大器的设计
单电源运放交流放大器的设计单电源运算放大器(如LM324类)采用一组正电源供电，使用比较方便.但作为交流放大器使用时，使用不当会产生信号失真.例如，图1是想利用单电源运放构成一个同相输入放大器，但输出信号却产生了负向切割失真.一些使用者误认为，单电源运放不适合在交流放大器中使用.其实，这是由于使用不当造成的因为单电源运放只能输出V≥0的信号，而在图1中，要求输入信号在运放同相输入端出现时必须高于地电位(V+＞0).假如输入端是一个带有直流成份的正弦信号，通过隔直电容后将是一个失去直流成份的纯交流信号.在交流信号的负半周(V+＜0)，输出端不可能输出V＜0，所以负半周将被切割.图1解决单电源运放产生的交流信号的失真问题，可以在运放同相输入端加直流偏置，使运放在静态时输出端有一个直流偏置电压输出.这样，当交流信号输入时，输出信号将在左右变化，在动态范围之内，信号不会失真，如图2所示.输出端静态偏置电压一般可以为供电电源电压的1/2左右，以输出信号不产生失真为原则.本文以图3所示的同相输入运放电路为例，说明单电源运放交流放大器的设计方法.图2图3因运算放大器工作在线性放大区，由电路线性迭加原理可知，总输出为直流输出与交流输出之和，即(1)式中,0、I为直流输出、输入信号；、i为交流输出、输入信号；Av为同相输入运放的放大倍数.(2)静态设计只与直流参数有关，由图3知(3)为推出一般表达式，可令(4)假设将运放输出直流电压偏置在某一V值，使(5)考虑到运放直流输出为(6) 将(3)(4)(5)式代入(6)式，整理得(7)在实际应用电路中，一般都是先确定放大器的放大倍数，即R4/R3.如果设定V为某一值，即可由(5)式和(7)式求出K值及输入端偏置电阻的比值KR .再选定R1、R2之间任一个数值，就可以算出全部电路参数.例设计一个电压放大倍数为10倍的同相放大器.因A v=10，取R3=10kΩ，代入(2)式可求出R4=90kΩ.如果将V0设定为Ec/2，由(5)式得K=1/2.将A v值及K值代入(7)式，求出K R=19.取R2=10kΩ，由(4)式可求出R1=190kΩ.一般情况下，各电阻值取相近系列值即可.如果交流放大倍数精度要求较高，R3可用精密微调电阻调节使之满足要求.直流偏置电压V是为了保证运放能正常工作，一般不需精确调定.由于交流放大电路采用隔直电容耦合，直流偏差不会逐级放大传递.反相输入单电源运算放大器实用电路见图4，它的总输出为图4(8)式中第1项仍为直流偏置设定项.上面推出的同相输入运放的直流参数设计仍适用，只是在反相输入时，其交流放大倍数为根据上述设计原则，还可以设计出其它类型的交流放大电路，不再赘述.另外，单电源运放如不用隔直电容，也可用于单极性信号Vi ＞0、V＞0的电路中.例如某些单极性的D/A接口电路，在同相输入时，不加直流偏置即可正常工作.在反相输入时，必须加直流偏置.考虑到输入信号源的内阻，上述关于偏置的计算式仍适用.这种电路当输入信号上升时，输出的是一个下降信号，偏置设计应留出这一下降空间，否则信号将失真.参考文献：［1］章诗白. 模拟电子技术基础(下册) ［M］. 北京：人民教育出版社，1981. ［2］梁明理. 电子线路(下册) ［M］. 北京：高等教育出版社，1991.。
单电源运算放大器的使用
电源供电和单电源供电所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC－，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。
这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。
但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。
在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。
绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比方图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。
一般是正负15V，正负12V 和正负5V也是经常使用的。
输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom 以及最大输出摆幅。
单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。
正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC－引脚连接到GND。
将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom 之内。
有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。
这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh 和Vol 。
需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。
(参见1.3节)图一通常单电源供电的电压一般是5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。
另外现在运放的供电电压也可以是3V 也或者会更低。
出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail－To－Rail 的运放，这样就消除了丧失的动态范围。
需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail－To－Rail 的电压。
虽然器件被指明是轨至轨(Rail－To－Rail)的，如果运放的输出或者输入不支持轨至轨，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是轨至轨。
第4讲 同相输入和反相输入放大电路的其他应用
引入负反馈
反相 比例 同相 加减 运算电路积分 微分 对数 指数
加RC串并联网络 文氏桥振荡电路
三角波、锯齿波发生电路 压控振荡器
集成运放
模拟乘法器
乘除、乘 方、开方
功放的前级放大电 路，串联型稳压电 源的比较放大电路
低通、高通 有源滤波器 带通、带阻
vO
具有增 益的跟 随器
这是一个非常好 的差分放大器电 路，并在仪表放 大器中广泛采用。
输入阻抗高，电阻匹配性好。
2.4.3 求和电路
根据虚短、虚断和N点的KCL得：
v n v p 0, ii 0
v i1 - v n vi2 - v n v n - vo R1 R2 R3 R3 R3 - vo vi1 vi 2 R1 R2
1 vO vIdt RC
（积分运算）
式中，负号表示vO与vI在相位上是相反的。
2.4.4 积分电路和微分电路
1. 积分电路
当vI为阶跃电压时，有
1 vO vI dt Vi t Vi t RC RC
vO与 t 成线性关系 考虑：当输入信号 在频率为0处的输出 是怎样的？ 怎样解决？ 方波产生三角波。
2.4.1 求差电路
从结构上看， 它是反相 输入和同相输入相结合的放 大电路。 根据虚短、虚断和n、p 点的KCL得：
v n v p , ii 0
vi1 v n v n vo R1 R4 vi2 v p vp 0 R2 R3
若继续有 R4 R1 ,
R3 R1 R4 R vo ( )( )vi2 4 vi1 R1 R2 R3 R1
2.4.4 积分电路和微分电路
单电源同相比例放大电路
单电源同相比例放大电路在我们日常生活中，电子设备可谓是无处不在，简直是我们的“贴心小助手”。
今天咱们就来聊聊一个有趣又实用的东西，单电源同相比例放大电路。
这听起来是不是有点高深莫测？别担心，咱们慢慢来，聊得轻松点。
想象一下，你在家里用的那些小音响，声音大了，小了，调节一下就好。
这种调节其实就是通过类似的电路实现的。
咱们的耳朵听到的每一个声音，背后都有一堆电子元件在默默工作。
单电源同相比例放大电路，简单来说就是用一个电源，来放大信号，让声音更加响亮。
就像你在唱歌，想让全场都听到你的歌声，肯定得用麦克风放大嘛。
这里的“同相”指的是输入和输出信号的相位保持一致，就好比你在大声喊话，别人听到的声音不会有延迟，不然可就尴尬了。
说到这里，可能有朋友会想，这电路到底是怎么运作的呢？其实它主要是通过一些电子元件，比如运算放大器，来实现信号的放大。
运算放大器就像是个小魔术师，把微弱的信号变得响亮有力，真是神奇啊。
我们聊聊电路的组成。
这个电路的基础元件，运算放大器，像一位优秀的厨师，需要调味料才能做出美味的菜肴。
这里的“调味料”就是电阻、电容等其他元件。
电阻就像是给信号“加点儿盐”，控制电流的流动；电容则可以存储电能，帮助信号保持稳定。
就像咱们平时喝水，有时候水流太快，有时候又慢，这可得看管道里是不是有“节流阀”啊！通过合理的设计，这些元件相辅相成，让信号在放大过程中不会变得失真，就像你的声音永远保持动听。
然后，咱们来看看它的应用。
这个电路可不是小打小闹，它在生活中的很多地方都有用。
比如，在麦克风里，音响设备里，甚至在电视机里，背后都有它的身影。
你有没有试过用手机录音，发现声音总是小小的？这时候，如果你用上同相放大电路，声音就能提升不少。
就好比你用麦克风在KTV里，声音瞬间就变得洪亮，周围的人都忍不住想要跟着一起唱。
不过，设计这样一个电路可不是简单的事儿。
要考虑各种因素，像电源的稳定性、放大倍数、失真率等等。
就好比你做菜，得先把菜洗干净，调料调好，火候掌握得当，才能做出一桌好菜。
运放 正负输入 同相放大电路
运放正负输入同相放大电路全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：运放是一种广泛应用于信号放大电路中的器件，它具有高输入阻抗、低输出阻抗、高放大增益和较宽的带宽等优点。
在许多电子电路中，通常会采用运放来实现信号的放大和处理。
正负输入同相放大电路是一种常见的运放应用电路之一，适用于需要将输入信号放大的场合。
正负输入同相放大电路的原理是将运放的正输入端和负输入端连接在一起，共同接收输入信号，通过运放的放大作用使输出信号得到放大。
该电路的放大倍数与反馈电阻和输入电阻的比值有关，可以通过调节反馈电阻和输入电阻的数值来调整放大倍数。
正负输入同相放大电路在实际应用中具有广泛的用途，常用于音频放大、信号处理、仪器测量等领域。
在音频放大器中，正负输入同相放大电路可以将输入音频信号放大到合适的水平，输出给扬声器进行声音放大；在仪器测量中，该电路可以将微弱的测量信号放大到可以被测量仪器识别和分析的水平。
需要注意的是，在设计和搭建正负输入同相放大电路时，要充分考虑元件参数的选择和布局、电路的稳定性和可靠性等因素，以确保电路的性能和可靠性。
还需遵循相关的安全规范和标准，确保电路的安全性和可靠性。
第二篇示例：运放是一种广泛应用于电子电路中的集成功率器件，常用于信号放大、滤波、积分、微分等各种电路中。
在运放应用中，正负输入同相放大电路是一种常见设计，它能够实现信号的放大，并对输入信号进行增益控制。
正负输入同相放大电路的基本原理是利用运放的高输入阻抗和大增益，将输入信号放大，并输出到负载端。
该电路中正负输入端连接在一起，被称为同相输入，即输入信号同时进入正输入端和负输入端。
正负输入同相放大电路的增益由反馈电阻决定，可以通过调整反馈电阻的数值来实现对输入信号的增益控制。
正负输入同相放大电路的特点是放大率高，抗干扰能力强，同时还能够实现输出端与输入端的同相性。
这种电路适用于信号放大、滤波等各种应用场景中。
在信号处理中，常常需要将低电平信号放大到适合的范围，而正负输入同相放大电路可以很好地实现这一目的。
运放 正负输入 同相放大电路-概述说明以及解释
运放正负输入同相放大电路-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分主要介绍本文将要讨论的主题，即运放正负输入同相放大电路。
运放（Operational Amplifier, 简称Op-Amp）是一种重要的电子器件，广泛应用于各个领域的电路设计中。
正负输入放大电路是运放电路中最基本的一种电路结构，也是常见的放大电路之一。
正负输入放大电路的特点是具有高输入阻抗、低输出阻抗、大增益和良好的线性度。
在正负输入放大电路中，运放的正输入端和负输入端分别连接外部信号源和反馈电阻，通过这种方式实现对输入信号的放大。
同相放大电路是指正输入端和负输入端通过反馈电阻连接，具有相同的放大倍数。
本文将从运放的基本原理和正负输入放大电路的工作原理两个方面进行详细的介绍。
首先介绍运放的基本原理，包括运放的基本构成和工作原理。
然后，详细讨论正负输入放大电路的工作原理，包括放大电路的输入输出特性和性能指标。
同时，还将探讨正负输入放大电路的应用领域和展望。
通过本文的学习，读者将能够全面了解运放正负输入同相放大电路的特点和工作原理，为实际电路设计和应用提供参考。
同时，对于进一步扩展运放电路的设计和应用领域也将有所启发。
文章结构部分的内容如下：文章结构如下所示：第1章引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的第2章正文2.1 运放的基本原理2.2 正负输入放大电路的工作原理第3章结论3.1 总结运放正负输入同相放大电路的特点3.2 对运放正负输入同相放大电路的应用展望本文共分为三个章节，其中引言部分主要介绍本文的背景和目的，正文部分详细阐述了运放的基本原理和正负输入放大电路的工作原理。
结论部分对运放正负输入同相放大电路的特点进行总结，并展望了其在实际应用中的潜力。
通过这样的章节划分，读者可以更加清晰地了解文章的结构和内容。
1.3 目的本文旨在探讨运放正负输入同相放大电路的工作原理和特点，以及对它的应用展望。
首先，我们将介绍运放（运算放大器）的基本原理，包括其输入电压和输出电压之间的关系，并解释其放大和反相放大功能。
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使用单电源的运放交流放大电路(含同相和反相输入式)
使用单电源的运放交流放大电路
在采用电容耦合的交流放大电路中，静态时，当集成运放输出端的直流电压不为零时，由于输出耦合电容的隔直流作用，放大电路输出的电压仍为零。
所以不需要集成运放满足零输入时零输出的要求。
因此，集成运放可以采用单电源供电，其-VEE端接"地"(即直流电源负极)，集成运放的+Vcc端接直流电源正极，这时，运放输出端的电压V0只能在0～+Vcc之间变化。
在单电源供电的运放交流放大电路中，为了不使放大后的交流信号产生失真，静态时，一般要将运放输出端的电压V0设置在0至+Vcc值的中间，即V0=+Vcc／2。
这样能够得到较大的动态范围；动态时，V0在+Vcc／2值的基础上，上增至接近+Vcc 值，下降至接近0V，输出电压uo的幅值近似为Vcc／2。
图3请见原稿
1．2．1 单电源同相输入式交流放大电路
图3是使用单电源的同相输入式交流放大电路。
电源Vcc通过R1和R2分压，使运放同相输入端电位由于C隔直流，使RF引入直流全负反馈。
所以，静态时运放输出端的电压V0=V-≈V+=+Vcc／2；C通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压串联负反馈。
放大电路的电压增益为
放大电路的输入电阻Ri=R1／R2／rif≈R1／R2，
放大电路的输出电阻R0=r0f≈0。
1．2．2 单电源反相输入式交流放大电路
图4是使用单电源的反相输入式交流放大电路。
电源V cc通过R1和R
2分压，使运放同相输入端电位为了避免电源的纹
波电压对V+电位的干扰，可以在R2两端并联滤波电容C3，消除谐振；由于C1隔直流，使RF引入直流全负反馈。
所以，静态时，运放输出端的电压V0=V-
≈V+=+Vcc／2；C1通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压并联负反馈。
放大电路的电压增益为放大电路的输入电阻Ri≈R，放大电路的输出电阻R0=r0f≈0。
2 运放交流放大电路的设计
在设计单级运放交流放大电路时，
(1)选择能够满足使用要求的集成运算放大器。
在采用电容耦合的交流放大电路中，由于电容隔直流，交流放大电路输出的温度漂移电压很小。
因此，对集成运放漂移性能的要求可以降低，主要从转换速率、增益带宽、噪声等方面来考虑选用集成运放。
对脉冲信号、宽频带交流信号和视频信号等，应选用转换速率较高、增益带宽至少是最高工作频率10倍的集成运放。
对音质要求比较高的音频交流放大电路中常采用高速低噪声的集成运放，如双运放的4558、NE5532等。
(2)确定采用双电源供电还是单电源供电。
在使用条件许可的情况下，运放交流放大电路尽量采用双电源供电方式，以增大线性动态范围。
当集成运放双电源使用时，正、负电源电压一般要对称。
且电源电压不要超过使用极限，电源滤波要好。
为了消除电源内阻引起的低频自激，常常在正、负电源接线与地之间
分别加0．01～0．1 μF的电容退耦。
使用单电源供电时，运放同相输入端电位要小于该运放的最大共模输入电压。
(3)确定输入信号是同相输入还是反相输入。
若要求放大电路的输入电阻比较大，应采用同相输入式交流放大电路。
因为反相输入式交流放大电路输入电阻的提高会影响电压增益。
由图2或图4相关计算式可知，增大反相输入式交流放大电路输入电阻时，该电路电压增益将减小，且电压增益也会受信号源内阻的影响。
所以在设计反相输入式交流放大电路时，有时输入电阻和电压增益的选择难以兼顾。
而采用图1或图3同相输入式交流放大电路时，图1中的R1偏置电阻值适当增大，或者图3中的R1和R2分压电阻值适当增大，就能够提高放大电路的输入电阻，而对电压增益无影响。
另外，为了有效地提高图3放大电路的输入电阻，可以对电路做一些改进，改进电路如图5所示。
该放大电路输入电阻Ri≈R3，当R3值图5见原稿选择大时，放大电路输入电阻Ri值就大。
所以明显地提高了放大电路的输入电阻。
(4)确定交流放大电路电压增益。
单级运放交流放大电路的电压增益Au 通常不要超过100倍(40dB)。
过高的电压增益不但会使放大电路的通带下降，也容易感应高频噪声或产生自激振荡。
如果要得到一个放大倍数比较大的放大器，可用两级等增益的运放电路或者多级等增益的运放电路来实现。
(5)确定交流放大电路中的电阻值。
一般应用中阻值在1～100kΩ之间比较合适。
高速的应用中阻值在100Ω～1k Ω之间，但会增大电源的消耗。
便携设计中阻值在1～10M Ω之间，但会增大系统噪声。
先设定图中运放反向输
入端R电阻值，根据相关电路的电压增益计算式，再估算出反馈电阻RF的值。
最好采用金属膜电阻，以减小内噪声。
(6)确定放大电路中的电容值。
信号耦合电容的大小决定放大电路的低频特性。
根据交流放大电路信号频率的高低选择耦合电容值。
若放大的是低频交流信号，如音频信号，耦合电容值可选择1～22 μF之间；若放大的是高频交流信号，耦合电容值可选择1000pF～0．1 μ F之间。
同相输入式交流放大电路引入直流全反馈的隔直流电容值由C=1／20πfR式估算。
式中f是输入信号的最低频率。
音频信号的最低频率为20Hz，当R≥1k Ω时，经过上式估算，选择C=100 μF时，已经能够满足要求。
滤波电容值选择100～1000 μ F 之间。