2.3.5　同相输入放大电路应用实例

1.同相输入放大基本电路功能测试

【例2.5】 如图2-18所示是采用LM324集成运算放大器构成的同相输入放大基本电路，电源电压为±12V。图中， R ₁ = R ₂ =10kΩ， R _F =90kΩ，故电路放大倍数为1+ R _F / R ₂ =1+90/10=10。从 u _I 处输入信号，从 u _O 处输出信号。

首先，给 u _I 加直流电压信号，用Proteus图形仿真功能，可以绘出电路的输入/输出关系图，从关系图上就可以求出放大倍数。每加一种直流电压信号，就看一次输出结果，经多次测试，可得出如下结论：当输入电压太小（小于100mV）或太大（大于1150mV）时，电路就不能按给定的放大倍数（10）不失真地放大输入电压。

其次，给 u _I 加交流电压信号，如所加信号为幅度1.1V、频率1kHz的交流信号，用Proteus图形仿真功能，可以绘出电路的输入/输出关系图，如图2-19所示。从图可见，图中的黑线是1.1V交流电压输入线，红线是放大了10倍的11V电压输出线。图中黑线和红线相位相同，且红线正弦波波形未失真。按幅度由小到大地加入交流信号，逐一检查输出情形，就可得出和加入直流信号时相同的结论，即：当输入电压太小（小于100mV）或太大（大于1150mV）时，电路就不能按给定的放大倍数（10）不失真地放大输入电压。

2.电压跟随器电路功能测试

【例2.6】 如图2-20所示是采用LM324集成运算放大器构成的电压跟随器电路，电源电压为±12V。图中， R ₁ = R _F =10kΩ，从 u _I 处输入信号，从 u _O 处输出信号。

加交流电压信号，如所加信号为幅度2V、频率1kHz的交流信号，用Proteus图形仿真功能，可以绘出电路的输入/输出关系图，如图2-21所示。我们看到，图中只有一条幅度2V、频率1kHz的红色正弦交流信号。那么作为输入信号的黑线哪里去了？原来是两条线重合到一起了。由此我们知道，由集成运算放大器构成的电压跟随器比其他跟随器（比如用三极管组成的射极跟随器）跟随效果要好得多。

3.单运算放大器型可编程增益放大器功能测试

【例2.7】 如图2-22所示是采用LM358集成运算放大器构成的单运算放大器型可编程增益放大器电路，电源电压为±12V。图中， R ₁ =10kΩ， R _F1 =9kΩ， R _F2 =900Ω， R _F3 =90Ω， R _F4 =10Ω，把这些电阻值代入式（2-8）中，即可求出当S ₁ ～S ₄ 逐一单独接通时的四种增益。代入后可知

从 u _I 处输入信号，从 u _O 处输出信号。

首先，将开关S ₂ 闭合，其余开关全部断开。从 u _I 处加交流电压信号，如所加信号为幅度100mV、频率1kHz的交流信号，用Proteus图形仿真功能，可以绘出电路的输入/输出关系图，如图2-23所示。从图可见，图中的黑线是100mV、1kHz交流电压输入线，红线是放大了10倍的1.0V电压输出线。图中黑线和红线相位相同。其次，将开关S ₁ 闭合，其余开关全部断开。加入交流信号，重新仿真，可以发现输出信号和输入信号幅度、相位完全相同，这是因为电压放大倍数是1的缘故。再次，将开关S ₃ 闭合，其余开关全部断开。加入交流信号，重新仿真，可以发现输出信号将是输入信号幅度的100倍，相位不变。最后，将开关S ₄ 闭合，其余开关全部断开。加入一小幅度的交流信号（比如10mV），重新仿真，可以发现输出信号将是输入信号幅度的1000倍。因此用图2-22的电路可以通过开关的通断，实现增益的改变。在实际应用中，可以把这些开关换成模拟开关，由程序控制这些开关的通断，从而实现真正的可编程增益放大。

4.并联式多运算放大器型可编程增益放大器功能测试

【例2.8】 如图2-24所示是采用4路LM358集成运算放大器构成的并联式多运算放大器型可编程增益放大器电路，电源电压为±12V。图中， R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ =10kΩ， R _F1 = R _F2 = R _F3 = R _F4 =10kΩ。从 u _I 处输入信号，从 u _O 处输出信号。

首先，将开关S ₁ 闭合，其余开关全部断开。从 u _I 处加幅度为+2V的直流电压信号，用Proteus图形仿真功能，可以测出电路的输出电压值，如图2-24所示。从图可见， u _I 处接的虚拟电压表显示输入电压为+2.0V， u _O 处接的虚拟电压表显示输出电压为+4.0V。这表明，输入的直流电压信号被放大了2倍。

其次，将开关S ₂ 闭合，其余开关全部断开。仍加入幅度为+2V的直流电压信号，重新仿真，可以发现输出电压信号仍是+4.0V。就是说，电压放大倍数仍是2。用同样的方法，再把开关S ₃ 和S ₄ 分别单独接通，所测输出电压均为+4V。这就印证了前面说的“只有S ₁ 接通时，PGA的电压放大倍数为 A _UF1 ；只有S ₂ 接通时，PGA的电压放大倍数为 A _UF2 ；只有S ₃ 接通时，PGA的电压放大倍数为 A _UF3 ；只有S ₄ 接通时，PGA的电压放大倍数为 A _UF4 ”。因为这4个回路的电压倍数是相同的（都是2倍），故所得结果都是+4V。

5.串联式多运算放大器型可编程增益放大器功能测试

【例2.9】 如图2-25所示是采用4路LM358集成运算放大器构成的串联式多运算放大器型可编程增益放大器电路，电源电压为±12V。图中， R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ =1kΩ， R _F1 = R _F2 = R _F3 = R _F4 =9kΩ。从 u _I 处输入信号，从 u _O 处输出信号。

首先，将开关S1闭合，其余开关全部断开。从 u _I 处加幅度为+100mV（+0.1V）的直流电压信号，用Proteus交互仿真功能，可以测出电路的输出电压值，如图2-25所示。从图可见， u _I 处接的虚拟电压表显示输入电压为+0.10V， u _O 处接的虚拟电压表显示输出电压为+1.02V。图2-25有点模糊，可以看它的放大版（见图2-26）。这表明，输入的直流电压信号被放大了10倍。

其次，将开关S ₁ 和S ₂ 闭合，其余开关全部断开。仍加入幅度为+0.1V的直流电压信号，重新仿真，可以发现输出电压信号变为+10.2V。这就是说电压放大倍数是100。用同样的方法，让开关S ₁ 和S ₂ 维持闭合不变，再把开关S ₃ 接通，所测输出电压变为+10.9V。这已是本放大电路的输出最大值。

再把开关S4也接通，所测输出电压仍为+10.9V。本来，开关S ₁ 、S ₂ 、S ₃ 接通时，输出应为100V；4个开关全部接通时，输出应为1000V，由于电路输出最大值+10.9V的限制，这些都看不出来。这就印证了前面说的“S ₁ ～S ₄ 中只有S ₁ 接通，PGA总电压放大倍数 A _UF =10×1×1×1=10；S ₁ 、S ₂ 接通，S ₃ 、S ₄ 断开， A _UF =10×10×1×1=100；S ₁ 、S ₂ 、S ₃ 接通，S ₄ 断开， A _UF =10×10×10×1=1000；S ₁ 、S ₂ 、S ₃ 、S ₄ 都接通， A _UF =10×10×10×10=10 000”。 /XJhW0ajE4cGKolviD8QgYFes7NyYjEXzKtTxooRBfhFM1L8sLUWbOzWL4uSlqoH