在硬件工程師的招聘筆試中，有一類看似簡單的電路題目，卻往往能難倒眾多應(yīng)聘者。近日，網(wǎng)絡(luò)上流傳的一個電路截圖及相關(guān)問題，就充分體現(xiàn)了這一點。這道題不僅考察了硬件工程師的基礎(chǔ)知識功底，還能篩選出真正靠譜的工程師。

問題提出

有人發(fā)布了一個電路截圖，并詢問這個電路的用途。對于這個電路，大家看法不一，有人認(rèn)為它是電壓跟隨器電路，有人覺得是畫錯了的電壓跟隨器電路，還有人判斷它是比較器電路。那么，這個電路究竟是什么類型的電路呢？

圖 1 題目中的電路

分析 “電壓跟隨器” 答案是否正確

電壓跟隨器是一種常見的運(yùn)算放大器配置，其主要作用是提供高輸入阻抗和低輸出阻抗，同時保持輸入信號的電壓不變，即輸入電壓等于輸出電壓。典型的電壓跟隨器電路圖如下：

圖 2 典型電壓跟隨器電路
電壓跟隨器的核心元件是運(yùn)算放大器，輸入信號（Vin）連接到運(yùn)放的同相輸入端（+），輸出信號（Vout）直接連接到運(yùn)放的反相輸入端（-），形成單位增益負(fù)反饋。根據(jù)理想運(yùn)算放大器的特性，存在 “虛短” 和 “虛斷” 現(xiàn)象?！疤摱獭?指的是由于負(fù)反饋作用，運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端電壓相等，即 V+=V - ；“虛斷” 表示理想運(yùn)放的輸入阻抗無限大，幾乎沒有電流流入輸入端。在負(fù)反饋的作用下，運(yùn)放會自動調(diào)整輸出電壓，使得 Vout 始終等于 Vin。
然而，回到題目中的電路，輸出信號（Vout）直接連接到運(yùn)放的同相輸入端（+），這表明該電路是正反饋電路，而非負(fù)反饋電路。由于 “虛短” 的成立一般需要滿足三個條件：

1. 負(fù)反饋存在：負(fù)反饋是 “虛短” 成立的核心條件，通常通過負(fù)反饋回路將輸出端連接到反相輸入端，使運(yùn)放調(diào)整輸出電壓，使 V + 和 V - 逼近相等。
2. 運(yùn)放工作在線性區(qū)：線性區(qū)意味著運(yùn)放的輸出沒有進(jìn)入飽和狀態(tài)，即輸出電壓 Vout 仍在電源電壓范圍內(nèi)。若輸入信號過大，使 Vout 進(jìn)入飽和區(qū)（接近供電電壓 Vcc 或－Vcc），運(yùn)放將無法調(diào)整輸出電壓來維持 V+=V - ，“虛短” 不再成立。
3. 運(yùn)放增益足夠高：理想運(yùn)放的開環(huán)增益趨近無窮大，但實際運(yùn)放的增益是有限的，通常在 10^5～10^7 之間。只要增益足夠高，誤差電壓 V+－V - 就會非常小，使得近似滿足 “虛短” 條件。

由于題目中的電路不滿足負(fù)反饋條件，所以不能用 “虛短” 來分析，因此該電路不是電壓跟隨器電路。

分析 “比較器電路” 答案是否正確

反相回滯比較器是一種帶有正反饋的運(yùn)算放大器比較器，也稱為反相施密特觸發(fā)器。它具有回滯效應(yīng)，可用于去除輸入信號中的噪聲，使輸出信號更加穩(wěn)定。典型的反相回滯比較器電路如下：

圖 3 反相回滯比較器電路
反相回滯比較器的核心元件是運(yùn)算放大器，輸入信號 Vin 施加在反相輸入端（-），反饋電阻 Rh 形成正反饋，分壓電阻 R1、R2 根據(jù)需要調(diào)整分壓比得到參考電壓 Vref。在反相回滯比較器中，由于正反饋的存在，閾值會隨著輸出電壓的變化而改變，從而形成不同的上、下閾值（VTH，VTL），避免了輸入信號中的小幅度噪聲導(dǎo)致的不穩(wěn)定輸出。
再看題目中的電路，與反相回滯比較器的區(qū)別在于少了電路 R1、R2，這相當(dāng)于初始參考電壓 Vref = 0V。題目中輸入的是 ±10V 的正弦波，當(dāng)正弦波輸入電壓從 0V 逐漸增大到 + 10V，再減小到 - 5V 時，此時 V - >V+，OUT 電壓輸出 - 5V；當(dāng)正弦波輸入電壓從 - 5V 逐漸減小到 - 10V，再增大到 + 5V，OUT 電壓輸出 + 5V。因此，該比較器電路的上、下閾值分別為 VTH = +5V，VTL = - 5V。

圖 4 輸入信號波形
通過仿真驗證，輸入輸出波形如下：

圖 5 仿真驗證輸入輸出波形