运算放大电路设计
风河之巅 2011
运放是非常常用的芯片，在进行模拟电路设计时我们经常会用他完成各种各样的电压变换、加减法等功能；今天我讲的就是在放大电路设计中用的比较多的一种电路，如下图1；
图1
这个电路在教科书里是做为基本电路来讲的，他可以做为同相比例运算电路，也可以做为反向比例运算来用，区别就是你把输入端怎么连接；
做为反向比例运算时IN1做为信号的输入端，IN2接地，此时这个电路的计算公式为 OUT=﹣（Rf/R）×IN1；
做为同向比例运算时IN2做为信号的输入端，IN1接地，此时这个电路的计算公式为 OUT=（1+Rf/R）×IN2
以上公式是当信号的输入引脚中有一个脚接地时，所写出；这个电路的完整公式应该是：OUT=﹣（Rf/R）×IN1+（1+Rf/R）×IN2
这个电路除了同向比例运算和反向比例运算外还可以完成什么功能呢，接下来我们一起来看；通过一种简单的几何方法，我们就可以轻易的设计出这个电路可以完成各种功能，这也是我今天要介绍的方法；
在进行电路设计时我们常常用一些DA转换器输出信号电压，由于DA的输出电压范围有限，通常会使用运放对输出电压进行放大、变换成我们需要输出的电压。这里我以常用的0~2.5V电压输出转换到各种输出量程；
1． 输入0~2.5V转换到输出-5V~5V：
a) 根据输入电压范围和输出电压范围我们绘出了如图2中所示的几何图形；其中绿色线为输入电压范围，红色线为输出电压范围；根据其连接关系我们将相应的输入与输出电压用线连接
起来，并绘制其延长线，使其延长线交于一点Vg；Vg在绿色线的左边，即运放反向端IN1所需要输入的电压。输入的0~2.5V信号接在运放的同相端即IN2上，其中电阻Rf和R可以按图中Rf和R两线段的比例进行取值。Vg点的电压可以按照比例在图上直接测出，若使用
AUTOCAD绘图时可以直接标注出Vg的点尺寸按比例即为点电压。本例中Vg的电压为1.677V。 b) 我们来验证一下，在图中可以Rf/R的比例为3，选择Rf为15KΩ，R为5KΩ；代入2.5V到公式中OUT=﹣（Rf/R）×IN1+（1+Rf/R）×IN2=-（15/5）×1.667+(1+15/5) ×2.5=5(V);代入0V到公式中OUT=﹣（Rf/R）×IN1+（1+Rf/R）×IN2=-（15/5）×1.667+(1+15/5) ×0=-5(V);
c) 根据以上的验证结果表明，图2完全完全正确的描述出了这个放大电路设计中所需要的所有参数；包括信号的连接方法、反馈电阻的比例关系和Vg点的电压；
图2
2． 输入0~2.5V转换到输出5V~-5V：
a) 根据输入电压范围和输出电压范围我们绘出了如图3中所示的几何图形；其中绿色线为输入电压范围，红色线为输出电压范围；根据其连接关系我们将相应的输入与输出电压用线连接起来，两条线同样会交于一点Vg；Vg在绿色线的右边，即运放同向端IN2所需要输入的电压。输入的0~2.5V信号接在运放的反相端即IN1上，根据图中Rf和R两线段的比例对Rf和R进行取值。Vg点的电压可以按照比例在图上直接测出，本例中Vg的电压为1V。
b) 我们来验证一下，在图中可以Rf/R的比例为4，选择Rf为20KΩ，R为5KΩ；代入2.5V到公式中OUT=﹣（Rf/R）×IN1+（1+Rf/R）×IN2=-（20/5）×2.5+(1+20/5) ×1=-5(V);代入0V到公式中OUT=﹣（Rf/R）×IN1+（1+Rf/R）×IN2=-（20/5）×0+(1+20/5) ×1=5(V); c) 根据以上的验证结果表明，图3完全正确的描述出了这个放大电路设计中所需要的所有参数；
图3
3． 输入0~2.5V转换到输出1V~5V：
a) 根据输入电压范围和输出电压范围我们绘出了如图4中所示的几何图形；其中绿色线为输入电压范围，红色线为输出电压范围；根据其连接关系我们将相应的输入与输出电压用线连接起来，并绘制其延长线，使其延长线交于一点Vg；Vg在绿色线的左边，即运放反向端IN1所需要输入的电压。输入的0~2.5V信号接在运放的同相端即IN2上，其中电阻Rf和R可以按图中Rf和R两线段的比例进行取值。Vg点的电压可以按照比例在图上直接测出，本例中Vg在横轴的下方，所以的电压为-1.677V。
b) 我们来验证一下，在图中可以Rf/R的比例为0.6，选择Rf为12KΩ，R为20KΩ；代入2.5V到公式中OUT=﹣（Rf/R）×IN1+（1+Rf/R）×IN2=-（12/20）×-1.667+(1+12/20) ×2.5=5(V);代入0V到公式中OUT=﹣（Rf/R）×IN1+（1+Rf/R）×IN2=-（12/20）×-1.667+(1+12/20) ×0=1(V);
c) 根据以上的验证结果表明，图4完全完全正确的描述出了这个放大电路设计中所需要的所有参数
图4
4． 输入0~2.5V转换到输出5V~1V：
a) 根据输入电压范围和输出电压范围我们绘出了如图5中所示的几何图形；其中绿色线为输入电压范围，红色线为输出电压范围；根据其连接关系我们将相应的输入与输出电压用线连接起来，两线交于一点Vg；Vg在绿色线的右边，即运放同向端IN2所需要输入的电压。输入的0~2.5V信号接在运放的反相端即IN1上，其中电阻Rf和R可以按图中Rf和R两段线的比例进行取值。Vg点的电压可以按照比例在图上直接测出，本例中Vg的电压为1.923V。 b) 我们来验证一下，在图中可以Rf/R的比例为1.6，选择Rf为16KΩ，R为10KΩ；代入2.5V到公式中OUT=﹣（Rf/R）×IN1+（1+Rf/R）×IN2=-（16/10）×2.5+(1+16/10) ×1.923=1(V);代入0V到公式中OUT=﹣（Rf/R）×IN1+（1+Rf/R）×IN2=-（16/10）×0+(1+16/20) ×1.923=5(V);
c) 根据以上的验证结果表明，图5完全完全正确的描述出了这个放大电路设计中所需要的所有参数；
图5
图1中的电路还可以完成其他的功能，这里不再一一举例，朋友们在用到时可以以同样的方法进行处理。这里只介绍这种画图的设计方法，欢迎朋友们多交流经验；