在ACUPS（交流不間斷電源）的“大腦”里，各種集成電路模塊各司其職，讓它變得越來越好用、好修。尤其是運(yùn)算放大器（簡稱“運(yùn)放”）的出現(xiàn)，它天生自帶“低失調(diào)、低偏流、內(nèi)部補(bǔ)償、寬頻響”等良好品質(zhì)，讓ACUPS的控制電路強(qiáng)大。這一章，我們就來聊聊ACUPS里常用的控制“積木塊”——運(yùn)算放大器，看看它是怎么工作的。

一、運(yùn)算放大器

1、定義
運(yùn)算放大器是一種放大倍數(shù)高（通常開環(huán)增益可達(dá)20萬倍左右）、內(nèi)部多級直接耦合的放大器。它有兩個(gè)輸入端（一個(gè)同相端“+”，一個(gè)反相端“?”）和一個(gè)輸出端。輸出信號可以是輸入信號經(jīng)過加、減、微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果——因?yàn)樗迷?a href="http://m.sdkjxy.cn/analog/" target="_blank">模擬計(jì)算機(jī)里做數(shù)學(xué)運(yùn)算，所以得名“運(yùn)算放大器”。

2、電路符號
如圖所示，“+”代表同相輸入端，“?”代表反相輸入端。

（運(yùn)算放大器的電路符號）

內(nèi)部結(jié)構(gòu)小揭秘
運(yùn)放內(nèi)部包含三級：

輸入級 ：差分放大電路，輸入電阻高，能抑制零點(diǎn)漂移。

中間級 ：電壓放大級，提高電壓放大倍數(shù)。

輸出級 ：輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)。

下面，我們就從“理想運(yùn)放”開始，一步步了解它的各種典型用法。

二、理想運(yùn)算放大器

1、定義： 理想運(yùn)算放大器，現(xiàn)實(shí)中沒有，但用它做分析特別方便。

2、主要“指標(biāo)”

開環(huán)電壓增益→ 無窮大

輸入阻抗→ 無窮大

輸出阻抗→ 零

輸入失調(diào)電壓→ 零

共模抑制比→ 無窮大

頻率響應(yīng)→ 無限寬（什么頻率都能放大）

輸入輸出關(guān)系：VO=GOL(VP?Vn)

其中：
GOL—— 開環(huán)增益系數(shù)
VP—— 同相端電壓
Vn —— 反相端電壓
VO —— 輸出電壓

兩大重要特性：

1、因?yàn)?GOL=∞，所以 VP?Vn=0，即兩個(gè)輸入端電壓差為零（“虛短”）。

2、因?yàn)檩斎胱杩篃o窮大，所以流入（或流出）輸入端的電流為零（“虛斷”）。

三、現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)放
真實(shí)的運(yùn)放兩端會(huì)有很小的輸入電流（微安到微微安級別），可能會(huì)引起輸出不平衡。早期運(yùn)放需要復(fù)雜的調(diào)零電路，現(xiàn)在工藝進(jìn)步了，多數(shù)運(yùn)放已經(jīng)自帶“免調(diào)零”功能，用起來很方便。

1、反相比例放大器

定義： 反相比例放大器是一種將輸入信號從反相端送入，輸出信號與輸入信號極性相反（反相）的放大電路。它工作在線性區(qū)，具備“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，線性放大性能很好。

電路特點(diǎn)：

輸入信號 ui經(jīng)電阻 R1送到反相端（?）。

同相端（+）經(jīng)電阻 R2接地。

反饋電阻 RF連接在輸出端和反相端之間。

反相端電壓幾乎為0V，稱為“虛地”。

（反相比例放大器）

電壓增益公式： uo=?RF/R1ui*

負(fù)號表示輸出與輸入反相。如果 R1=RF，則 uo=?ui，這時(shí)叫“反相器”或“反號器”。

輸出電壓計(jì)算： uo=?RF/R1*ui

靜態(tài)平衡電阻： R2=R1//RF

它的作用是讓運(yùn)放兩個(gè)輸入端的“對地等效電阻”相等，從而減少失調(diào)電流帶來的誤差。實(shí)際電路中這個(gè)電阻很重要。

反相放大器的優(yōu)點(diǎn)

兩個(gè)輸入端電壓相等且為0，沒有共模輸入信號，對運(yùn)放的共模抑制比要求不高。

反相端是“虛地”，不是真正接地。

深度負(fù)反饋下，輸入電阻為 Ri，輸出電阻近似為0。

2、同相比例放大器

定義： 同相比例放大器的輸入信號加到同相端（+），輸出信號與輸入信號極性相同（同相），同樣工作在線性區(qū)，具備“虛短”“虛斷”特性。

電路特點(diǎn)

反相端通過電阻 R1接地。

反饋電阻 RF跨接在輸出端和反相端之間。

輸入電阻非常高，這是它相比反相放大器的一大優(yōu)點(diǎn)。

（同相比例放大器）

閉環(huán)增益公式uo/ui=1+RF/R1

沒有負(fù)號，說明同相。

理想的輸入阻抗為無窮大，實(shí)際的輸入阻抗為Ri=2Ri//AV/Ril×GOL?

理想的輸出阻抗為0，實(shí)際的輸出阻抗為Rout=AV/GOL*RO?

電阻R2為靜態(tài)平衡電阻，R2=R1//RF，保證放大電路靜態(tài)時(shí)，運(yùn)放同相輸入端和反相輸入端的對地等效電阻相等，降低失調(diào)電流對電路運(yùn)算誤差的影響。

其中，GOL為運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓增益系數(shù)，它是由運(yùn)算放大器在開環(huán)工作時(shí)輸出電壓增量和輸入差模電壓增量之比來確定的：GOL=20lg(ΔVo/ΔVi)

目前，常用的運(yùn)算放大器的開環(huán)增益系數(shù)為60～140dB。

目前，一般運(yùn)算放大器的Ril為幾十千歐到幾兆歐。

3、電壓跟隨器

定義： 電壓跟隨器是一 種特殊的同相比例放大器——當(dāng) R1=∞（即反相端直接連到輸出端，反饋電阻 RF=0）時(shí)，增益為1，輸出緊緊跟著輸入變化。

（電壓跟隨器）

同相電壓跟隨器

輸出電壓直接反饋到反相端（RF=0）。

輸入信號加在同相端。

增益公式：uo/ui=1

輸入阻抗高，輸出阻抗低，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。

常用于阻抗匹配、緩沖隔離。

反相電壓跟隨器

當(dāng) Ri=RF時(shí)，

Uo/ui=?1

輸入阻抗等于輸入電阻 Ri，所以輸入阻抗較低，帶負(fù)載能力不如同相跟隨器。

一句話總結(jié) ：電壓跟隨器就像“電信號的影子”，輸入多少，輸出就多少（同相跟隨器），但能大大提高驅(qū)動(dòng)能力。

4、電壓加法放大器

定義： 加法放大器可以將多個(gè)輸入電壓按比例相加，輸出它們的代數(shù)和（反相后）。廣泛應(yīng)用于波形平移、零點(diǎn)調(diào)節(jié)等場合。

（電壓加法放大器）

反相加法電路 （常用）

多個(gè)輸入電壓（如 u1,u2）分別通過各自的電阻（R1,R2）加到反相端。同相端接地。

輸出電壓公式：

uo=?(RF/R1u1+RF/R2u2+?+RF/Rn*un)

如果所有電阻相等，則uo=?(u1+u2+?+un)

如果想對不同輸入有不同增益，只需讓各輸入電阻取不同值即可，這叫“比例加法放大器”。

同相加法電路 （較少用）
同相端電位不為0，會(huì)在輸入信號之間引入串?dāng)_，影響精度。為了減少串?dāng)_，R1,R2要盡量取大值。

5、電壓差動(dòng)放大器

定義： 差動(dòng)放大器放大兩個(gè)輸入電壓的差值，同時(shí)抑制共模信號（比如干擾）。它常用于ACUPS的相位檢測、電橋不平衡檢測、傳感器信號放大等場合。

基本要求

高輸入阻抗

寬共模輸入范圍

高共模抑制比（CMRR）

（單端輸出差動(dòng)放大器）

輸入 u1經(jīng) R1到反相端，u2經(jīng) R2到同相端。

輸出電壓可以看作是反相放大器輸出和同相放大器輸出的疊加：

uo=?RF/R1*u1+(Rg/（R2+Rg）)(（R1+RF）/R1)*u2?

當(dāng) R1=R2=Rg=RF時(shí)，

uo=u2?u1=?(u1?u2)——這叫“電壓減法器”。

（具有放大功能的電壓差動(dòng)放大器）
如果滿足 RF/R1=Rg/R2 ，且 Rg?R2，RF?R1，則uo=RF/R1(u2?u1)

輸入阻抗

差模輸入阻抗：Rid=2R1

共模輸入阻抗：Ric=(R1+RF)/2

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

要獲得高共模抑制比，選高CMRR的運(yùn)放，并且電阻要匹配。

電壓增益越低，電阻匹配要求越苛刻。

由于簡單差動(dòng)放大器的輸入阻抗不高，常常需要在前面加電壓跟隨器做緩沖。

如果需要很高輸入阻抗，可以用兩個(gè)同相放大器串聯(lián)成“同相串聯(lián)型差動(dòng)比例放大器”。

交流差動(dòng)放大器與相位檢測
當(dāng)輸入為交流信號時(shí)，如果兩個(gè)信號頻率相同但相位不同，差動(dòng)放大器會(huì)在輸出端產(chǎn)生正負(fù)相間的方波（開環(huán)狀態(tài)下）。

下圖是一個(gè)開環(huán)（R=∞）的差動(dòng)放大器。

（交流差動(dòng)運(yùn)算放大器）

當(dāng) u1的瞬時(shí)值大于 u2 時(shí)，輸出負(fù)飽和電壓；反之輸出正飽和電壓。

只有當(dāng)兩個(gè)信號相位相同時(shí)，輸出才為零（共模抑制）。

這個(gè)特性正好可以用來檢測兩個(gè)同頻信號之間是否有相位差——這就是ACUPS相位檢測電路的基本原理。

小知識：共模干擾和差模干擾

共模干擾 ：存在于相線/中性線與地線之間的干擾。

差模干擾 ：存在于相線與相線、相線與中性線之間的干擾。

差動(dòng)放大器天生擅長抑制共模干擾，放大差模信號，所以它在抗干擾方面特別有用。

總結(jié)
運(yùn)算放大器雖然名字聽起來“高大上”，但它就是“高增益、差分輸入、反饋靈活”。通過不同的外圍電阻連接方式，它可以變成：

反相放大器（輸出反相，有虛地）

同相放大器（輸出同相，輸入阻抗高）

電壓跟隨器（增益為1，緩沖隔離）

加法器（把多個(gè)信號加起來）

差動(dòng)放大器（只放大差值，抑制共模）

掌握了這些基本電路，你就能看懂ACUPS里大部分控制信號的走向和處理邏輯。下一節(jié)，我們將繼續(xù)學(xué)習(xí)ACUPS中的其他控制電路。

本文由中偉博信更新于2026年5月14日

中偉博信| 十二年ACUPS行業(yè)沉淀，只講真知識，真經(jīng)驗(yàn)

審核編輯 黃宇