运算放大器基础1——用作比较器

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一、运放IC

LM741应该是史上最为成功的IC之一了。先来看一下它的引脚定义：

图1-LM741经典运放引脚定义

重点关注：

• Inverting input，反相输入
• Non-Inverting input，正相输入
• Output，输出
• Positive supply，电源正极
• Negative/Ground supply，电源负极/接地

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二、比较器电路搭建

运放最简单的应用，就是作为比较器。由于运放的放大倍数很大，一般来说都会接上反馈来使用。但是，作为比较器时，可以不用接反馈，电路也相应简单：

图2-运放作为比较器的简单电路图

图中，三角形符号用于表示运放，其中，只显示了正相输入、反相输入和输出，没有显示电源正负极。虽然符号里面没有电源正负极，但仿真软件（我使用的是EveryCircuit软件）在运放的设置参数中是有电源正负极输入的，目前设置的是±9V。

图3-运放的电源正负极设置

回到图2，在“正相输入”和“负相输入”接有电压表，在“输出”也接有电压表。

可以看到“正相输入”连接一个开关，开关可以切换到0.1V（100mV）和0V。“负相输入”直接接地。

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三、比较器工作方式

在图2中，当前状态下，开关切换到0V，“正相输入”和“负相输入”都是接地，运放两个输入端电压相同。通过电压表读数，看到运放输出是0V。

当开关切换到0.1V，“正相输入”比“负相输入”大，运放输出是+9V，如下图：

图4-比较器输出正电压

好，现在我们将0.1V电源换个方向，这样实际“正相输入”的是-0.1V，比“负相输入”的电压要低，看看输出是什么？

图5-比较器输出负电压

输出是-9V。

想一想，比较器这种工作方式是不是符合预期？

我来解释一下：

1. 运放作为比较器，正相和反相两个输入端，谁电压大，输出就是正或负。
2. 所谓输出的正或负，就是电源的正或负。
3. 因为运放开路增益非常大，两个输入端就算是微小的差异，也会获得极大的输出，导致输出直接饱和（saturation）的状态，即达到电源的正或负。实际上比电源正或负，还会略小一点。

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四、动手实验

我们在面板上搭建一个运放比较器实验电路，如下：

图6-面包板上用运放搭建比较器（LM741，LM324，LM358皆可）

等效电路图为：

图7-运放搭建比较器电路

首先，万用表查看稳压管两端电压，为3.37V，作为运放反相输入。

图8-万用表检查稳压管两端电压

其次，调节可变电阻，使其两端电压小于3.37V，比如2.09V，作为运放正相输入，由于电压小于反相输入，LED不点亮。

图9-万用表检查可变电阻两端电压，小于反相端，LED不点亮

最后，调节可变电阻，使其两端电压大于3.37V，比如3.43V，作为运放正相输入，由于电压大于反相输入，LED点亮（运放输出为5V）。

图10-万用表检查可变电阻两端电压，大于反相端，LED点亮

（全文完）