范文一：运算放大器基础

运算放大器基础

2009-9-9 9:33:00 【文章字体:大 中 小】 推荐 收藏 打印

运算放大器 (简称“运放”)的作用是调节和放大模拟信号。常见的应用包 括数字示波器和自动测试装置、视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视 广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、计算机工 作站和无线基站。

理想的运放

理想的运放如图 1所示。通过电阻元件 (或者更普遍地通过阻抗元件 ) 施加 的负反馈可以产生两种经典的闭环运放配置中的任何一种:反相放大器 (图 2) 和非反相放大器 (图 3) 。这些配置中的闭环增益的经典等式显示, 放大器的增益基本上只取决于反馈元件。另外,负反馈还可以提供稳定、 无失真的输出电压。

电压反馈 (VFB)运放

电压反馈运放与前文介绍的理想运放一样,它们的输出电压是两个输入端 之间电压差的函数。为设计用途,电压反馈运放的数据表定义 5种不同的

增益:开环增益 (A

VOL

) 、闭环增益、信号增益、噪声增益和环路增益。

负反馈可以改变 A VOL 的大小。 对高精度放大器来说, 无反馈运放的 A VOL

值非

常大,约为 160dB 或更高 (电压增益为 10,000或更高 ) 。

图 1:理想的运放。

A VOL 的范围很大, 在数据表中它通常以最小 /最大值给出。 A

VOL

还随着电压电

平、负载和温度的变化而变化,但这些影响都很小,通常可以忽略不计。

当运放的反馈环路闭合时,它可以提供小于 A

VOL

的闭环增益。闭环增益有 信号增益和噪声增益两种形式。

信号增益 (A)指输入信号通过放大器产生的增益,它是电路设计中头等重 要的增益。下面给出了电压反馈电路中信号增益的两个最常见的表达式, 它们被广泛用在于反相和同相运放配置中。

图 2:反相放大器 (a)和非反相放大器 (b)是两种经典的闭环运放配置。

对于反相放大器, A = -R fb /R in

对于同相放大器, A = 1 + R fb /R in

其中, R fb 是反馈电阻, R

in

是输入电阻。

噪声增益指运放中的噪声源增益,它反映了放大器的输入失调电压和电压 噪声对输出的影响。噪声增益的等式与上述同相放大器的信号增益等式相 同。噪声增益非常重要,因为它被用来确定电路稳定性。另外,噪声增益 还是在波特图中使用的闭环增益,波特图可以向电路设计工程师提供放大 器的最大带宽和稳定性信息。环路增益等于开环增益与闭环增益之差,或

者等于输入信号通过放大器并由反馈网络返回至输入端的总增益。

图 3:(a)波特图上的开环增益和噪声增益曲线; (b)电流反馈运放的频率响应。 电压反馈运放的增益带宽积

理想运放的增益和带宽都是无限大的。最常见的真实运放采用电压反馈, 这种运放的增益和频率在被称为“增益带宽积(GBW)”的特性中是有关系 的。电压反馈运放中的这种关系允许电路设计工程师通过控制反馈电阻 (或者阻抗 ) ,在带宽和增益之间进行折衷。

对数响应曲线 (波特图 ) 给出 了电压反馈运放的增益随频率的变化关系, 并有助于解释 GBW 。从直流到由反馈环路的主极点决定的频率之间,增益

是恒定不变的。在该频率之上,增益以 6dB/8倍程或 20dB/10倍程的速率 衰减。这称为单极或者一阶响应。 6dB/8倍程的衰减速率意味着如果频率 升高一倍,增益就会减半。电压反馈运放的这种特性使电路设计工程师可 在带宽和增益之间进行折衷。

在一个波特图中画出运放的开环增益和噪声增益曲线,两者的交叉点决定

了最大带宽或放大器的闭环频率 (f

CL

)(图 4) 。这两条曲线的交叉点在波特 图增益轴 (纵轴 ) 上处于比最大增益小 3dB 的位置上。事实上,噪声增益渐

近地逼近开环增益。 渐近响应和真实响应在 f

CL

上下各一个倍程上之差将为 1dB 。

图 4:(a)运放的输入失调电压; (b)运放的输入偏置电流。

电流反馈 (CFB)运放

在电流反馈运放中,开环响应是输出电压对输入电流的响应。因此,与电 压反馈运放不同,电流反馈运放输入和输出之间的关系不是用增益表示, 而是跨阻来表示,单位为欧姆。但更常见的是采用跨阻表示,因此电流反 馈运放也被称为跨阻放大器。电流反馈运放的跨阻在 500k? ~1M? 之间。 与电压反馈运放不同,电流反馈运放没有恒定的增益带宽积。也就是说, 当增益随着频率增加而滚降时,滚降速度不等于 6dB/8倍程。电流反馈运 放可以在较宽的增益范围内保持高带宽,但这是以反馈阻抗的选择有限制 为代价的。例如,其中一个限制就是电流反馈运放的反馈环路中不允许有 电容,因为电容会使高频下的反馈阻抗降低,从而导致振荡。由于同样原 因,杂散电容也必须控制在运放的反相输入端周围。另外,电流反馈运放 频率响应曲线的斜率特性要比电压反馈运放的好,虽然杂散电容会削弱电 流反馈运放的这个优势。

电流反馈运放和电压反馈运放的不同特性还体现在其它方面。例如,电流 反馈运放具有获得最大带宽的最佳反馈电阻值。增大反馈电阻会导致带宽 降低,而降低电阻则将减小相位余量,并导致放大器不稳定。电流反馈运 放的数据表提供在一个增益范围内所对应的最佳反馈电阻值,以及电源电 压值以便使放大器具有最大带宽,这对设计过程很有帮助。最佳反馈电阻 值对许多因素都比较敏感,甚至对运放的封装类型也敏感。数据表可能根 据封装是小外形 IC (SOIC)封装还是双列封装 (DIP),给出不同的电阻值。 运放的重要特性

如果运放两个输入端上的电压均为 0V ,则输出端电压也应该等于 0V 。但

事实上,输出端总有一些电压,该电压称为失调电压 V

OS

。如果将输出端的 失调电压除以电路的噪声增益,得到结果称为输入失调电压或输入参考失

调电压。这个特性在数据表中通常以 V OS 给出。 V

OS

被等效成一个与运放反

相输入端串联的电压源。必须对放大器的两个输入端施加差分电压,以产 生 0V 输出。

V

OS

随着温度的变化而改变, 这种现象称为漂移, 漂移的大小随时间而变化。

漂移的温度系数 TCV

OS

通常会在数据表中给出, 但一些运放数据表仅提供可

保证器件在工作温度范围内安全工作的第二大或者最大的 V

OS

。 这种规范的

可信度稍差,因为 TCV

OS

可能是不恒定的,或者是非单调变化的。

V

OS

漂移或者老化通常以 mV/月或者 mV/1,000小时来定义。 但这个非线性函 数与器件已使用时间的平方根成正比。例如,老化速度 1mV/1,000小时可 转化为大约 3mV/年,而不是 9mV/年。老化速度并不总是在数据表中给出, 即便是高精度运放。

理想运放的输入阻抗无穷大,因此不会有电流流入输入端。但是,在输入 级中使用双极结晶体管 (BJT)的真实运放需要一些工作电流,该电流称为

偏置电流 (I B ) 。通常有两个偏置电流:I

B

+和 I

B

-,它们分别流入两个输入

端。 I

B

值的范围很大,特殊类型运放的偏置电流低至 60fA(大约每 3μs 通 过一个电子 ) ,而一些高速运放的偏置电流可高达几十 mA 。

单片运放的制造工艺趋于使电压反馈运放的两个偏置电流相等,但不能保 证两个偏置电流相等。在电流反馈运放中,输入端的不对称特性意味着两

个偏置电流几乎总是不相等的。这两个偏置电流之差为输入失调电流 I OS ,

通常情况下 I

OS

很小。

总谐波失真 (THD)是指由于放大器的非线性而产生的基频的谐波分量。通 常情况下只需要考虑二次和三次谐波,因为更高次谐波的振幅将大大缩 小。

THD+N(THD+噪声 ) 是器件产生噪声的原因,它是指不包括基频在内的总信 号功率。大多数的数据表都给出 THD+N的值,因为大多数测量系统不区分 与谐波相关的信号和噪声。 THD 和 THD + N都被用来度量单音调

(single-tone)正弦波输入信号产生的失真。

一个更有用且更严格的失真度衡量指标是互调失真 (IMD),它可度量由双 音调 (two-tone)交互干扰的结果而不仅仅是一个载波所产生的动态范围。 根据不同应用,一些二阶 IMD 分量可能可以滤除,但三阶分量的滤除则要

更困难些。因此,数据表通常给出器件的三阶截取点 (IP

3

) ,这是三阶 IMD 效应的一种最基本度量方式。因为三阶串扰产物引起的信号损坏在许多应 用中 (特别是在无线电接收机中 ) 都非常普遍,而且很严重,所以这个参数 十分重要。

1dB 压缩点代表输出信号与理想输入 /输出传输函数相比增益下降 1dB 时的 输入信号电平。这是运放动态范围的结束点。

信噪比 (SNR)定义了从最大信号电平至背景噪声的 RMS 电平的动态范围 (以 dB 为单位 ) 。

其它特性在射频 (RF)应用中变得非常重要。例如,动态范围是器件能承受 的最大输入电平与器件能提供可接受的信号质量的最小输入电平之间的 比,如果器件的输入电平处于这两点之间,则器件可提供相对线性的特性 (在放大器的限制条件下 ) ,若输入电平不在这两点之间,器件就会产生失 真。

运放的类型

运放的供电

第一款单片运放正常工作所需的电源电压范围为±15V。如今,由于电路 速度的提高和采用低功率电源 (如电池 ) 供电,运放的电源正在向低电压方 向发展。

尽管运放的电压规格通常被指定为对称的两极电压 (如±15 V),但是这些 电压却不一定要求是对称电压或两极电压。对运放而言,只要输入端被偏 置在有源区域内 (即在共模电压范围内 ) ,那么±15V的电源就相当于 +30V/0V电源,或者 +20V/– 10V 电源。运放没有接地引脚,除非在单电源 供电应用中把负电压轨接地。运放电路的任何器件都不需要接地。 高速电路的输入电压摆幅小于低速器件。器件的速度越高,其几何形状就 越小,这意味着击穿电压就越低。由于击穿电压较低,器件就必须工作在 较低电源电压下。

如今, 运放的击穿电压一般为±7V左右, 因此高速运放的电源电压一般为 ±5V,它们也能工作在 +5V的单电源电压下。

对通用运放来说,电源电压可以低至 +1.8V。这类运放由单电源供电,但 这不一定意味必须采用低电源电压。单电源电压和低电压这两个术语是两 个相关而独立的概念。

运放的工艺技术

运放主要采用双极性工艺技术,但在要求在同一芯片中集成模拟和数字电 路的应用中, 采用 CMOS 工艺的运放工作得很好。 JFET 有时在输入级采用, 以增加输入阻抗, 从而降低输入偏置电流。 FET 输入运放 (无论是 N 沟道还 是 P 沟通 ) 允许芯片设计工程师设计出输入信号电平可扩展至负电压轨和 正电压轨的运放。

由于 BJT 是电流控制型器件,所以输入级中的双极晶体管总是汲取一些偏

置电流 (I B )(图 7) 。但是, I

B

会流经运放外部的阻抗,产生失调电压,从而

导致系统错误。制造商通过在输入级采用 super-beta 晶体管或通过构建 一个补偿偏置输入架构, 来解决这个问题。 super-beta 晶体管具有极窄的 基极区,该基极区所产生的电流增益要比标准 BJT 中的电流增益大得多。

这使得 I

B

非常低,但这是以频率响应性能降低为代价的。在偏置补偿输入 中,小电流源被加在输入晶体管的基极,这样,电流源可提供输入器件所 需的偏置电流,从而大幅减小外部电路的净电流。

与 BJT 相比, CMOS 运放的输入阻抗要高得多, 从而使该电流源输出的偏置 电流和失调也小得多。另一方面,与 BJT 相比, CMOS 运放具有更高的固有 失调电压和更高的噪声电压,特别是在频率较低的情况下。

按应用对运放进行分类

芯片制造商利用不同的电路设计和工艺技术来强调针对特定应用的某些 运放特性。上表列出了这些运放类型的常用术语,以及它们的特性和应用 范围。

范文二：运算放大器基础

运算放大器核心是一个差动放大器。 就是两个三极管背靠背连着。共同分担一个横流源的电流。三极管一个是运放的 正向输入，一个是反向输入。正向输入的三极管放大后送到一个功率放大电路放 大输出。 这样，如果正向输入端的电压升高，那么输出自然也变大了。如果反相输入端电 压升高，因为反相三级管和正向三级管共同分担了一个恒流源。反向三级管电流 大了，那正向的就要小，所以输出就会降低。因此叫反向输入。 当然，电路内部还有很多其它的功能部件，但核心就是这样的。 数字电路即为 TTL 或 C-MOS 逻辑电路， 而谈到模拟电路， 首先就应想到运算放大器。 但是， 这里讲的运算放大器是怎样一个器件呢? 简而言之，运算放大器是具有两个输入端，一个输出端，以极大的放大率将两输入端 之间的电压放大之后，传递到输出端的一种放大器。 如果以电路符号来表示运算放大器，则如 右图，可表示为三角形。它的两个输入部分分 别叫做非倒相输入(1N＋)和倒相输入(IN－)。 它以极大的放大率将倒相输入端与非倒相输 人端之间的电压放大，然后从输出端(OUT)输 出。模拟 /zh2002202 发表于 2007-04-09, 14:091．“虚断”和“虚短”概念 如果为了简化包含有运算放大器的电子电路，总是假设运算放大器是理想的，这 样就有“虚短”和“虚断”概念。 “虚短”是指在理想情况下，两个输入端的电位相等，就好像两个输入端短接在一 起，但事实上并没有短接，称为“虚短”。虚短的必要条件是运放引入深度负反馈。 “虚断”是指在理想情况下，流入集成运算放大器输入端电流为零。这是由于理想 运算放大器的输入电阻无限大，就好像运放两个输入端之间开路。但事实上并没有开 路，称为“虚断”。 2．集成运算放大器线性应用电路 集成运算放大器实际上是高增益直耦多级放大电路，它实现线性应用的必要条件 是引入深度负反馈。此时，运放本身工作在线性区，两输入端的电压与输出电压成线 性关系，各种基本运算电路就是由集成运放加上不同的输入回路和反馈回路构成。 在分析由运放构成的各种基本运算电路时，一定要抓住不同的输入方式（同相或 反相）和负反馈这两个基本点。3．有源滤波电路有源滤波电路仍属于运放的线性应用电路。滤波功能由 RC 网络完成，运放构成 比例运算电路用以提供增益和提高带负载能力。与无源滤波电路相比有以下优点： 负载不是直接和 RC 网络相连，而是通过高输入阻抗和低输出阻抗的运放来连接，从 而使滤波性能不受负载的影响； 电路不仅具有滤波功能，而且能起放大作用。 正确理解：共模抑制 熟练掌握：差分放大电路工作原理，输入输出方式，差模增益，差模输入和输出电阻， 理想运放、实际运放的主要参数 难点重点 1．学好差分放大电路，应把重点放在如何正确画出半电路的直流通路、差模等效电 路和共模等效电路上，即要正确决定电路中各个电阻（特别是共用电阻）在不同工作 状态的值。 2．为了熟练掌握差分放大电路的输入输出方式，应掌握如下规律： （1）从输出端来说，双端输出是充分利用了两管的放大能力，而单端输出只利用了 单边的放大能力。差分放大电路实质上是利用电路的复杂性来换取抑制零点漂移的效 果。 （2）从输入端来说，因为单端输入可以等效为双端差模输入和共模输入的叠加，所 以单端输入的效果与双端输入几乎一样。 （3）在进行差分放大电路静态工作点的估算时，要特别注意在单端输出的情况下， 虽然两管的 BQ、EQ、CQ 取决于射极回路，因而是两垂直对称的，但两管的集电极 电流却是不对称的。 3．差分式放大电路的特点 （1）在电路组成上引入共模负反馈，电路具有对称性。分为长尾电路和带恒流源的 电路。 （2）在电路性能上有较强的抑制共模信号（抑制零点飘移）能力和放大差模信号的 能力。 注意比较负反馈放大电路和波形产生电路中自激条件的异同。对每一类波形产生电 路，都要从产生振荡的条件出发，分析其电路组成和工作原理。 一、正弦波振荡的条件 1.振荡平衡条件：AF=1 幅度平衡条件：|AF|=1；相位平衡条件：φA+φF=2nπ（n=0，1，2......） 2.起振条件：AF>1 幅度起振条件：|AF|>1；相位平衡条件：φA+φF=2nπ（n=0，1，2......） 观看动画 二、正弦波产生电路其组成包括放大、反馈、选频、稳幅等基本部分。以保证产生单一频率和幅值稳 定的正弦波。根据选频网络的不同，要求掌握 RC 桥式正弦波振荡电路的电路结构、 工作原理和振荡频率计算；三点式振荡电路的电路结构和振荡频率计算。 三、电压比较器 集成运放一般为开环或正反馈应用，处于非线性工作状态，输入与输出间不是线 性关系。其输入量是模拟量，输出量一般是高电平和低电平两种稳定状态的电压。可 用于把各种周期性信号转换成矩形波。要求掌握各种电压比较器的电路结构、传输特 性及阈值电压的计算。运算放大器(简称“运放”)的作用是调节和放大模拟信号。 常见的应用包括数字示波器和自动测试装置、 视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、 计算机工作站和无线基站。 理想的运放 理想的运放如图 1 所示。通过电阻元件(或者更普遍地通过阻抗元件)施加的负反馈可以产生两种经典的 闭环运放配置中的任何一种：反相放大器(图 2)和非反相放大器(图 3)。这些配置中的闭环增益的经典等 式显示，放大器的增益基本上只取决于反馈元件。另外，负反馈还可以提供稳定、无失真的输出电压。 电压反馈(VFB) 电压反馈(VFB)运放 电压反馈运放与前文介绍的理想运放一样，它们的输出电压是两个输入端之间电压差的函数。为设计用 途，电压反馈运放的数据表定义 5 种不同的增益：开环增益(AVOL)、闭环增益、信号增益、噪声增益和环 路增益。 负反馈可以改变 AVOL 的大小。对高精度放大器来说，无反馈运放的 AVOL 值非常大，约为 160dB 或更高(电 压增益为 10,000 或更高)。图 1：理想的运放AVOL 的范围很大，在数据表中它通常以最小/最大值给出。AVOL 还随着电压电平、负载和温度的变化而变化， 但这些影响都很小，通常可以忽略不计。 当运放的反馈环路闭合时，它可以提供小于 AVOL 的闭环增益。闭环增益有信号增益和噪声增益两种形式。 信号增益(A)指输入信号通过放大器产生的增益，它是电路设计中头等重要的增益。下面给出了电压反馈 电路中信号增益的两个最常见的表达式，它们被广泛用在于反相和同相运放配置中。图 2：反相放大器(a)和非反相放大器(b)是两种经典的闭环运放配置对于反相放大器，A = -Rfb/Rin 对于同相放大器，A = 1 + Rfb/Rin 其中，Rfb 是反馈电阻，Rin 是输入电阻。 噪声增益指运放中的噪声源增益，它反映了放大器的输入失调电压和电压噪声对输出的影响。噪声增益 的等式与上述同相放大器的信号增益等式相同。噪声增益非常重要，因为它被用来确定电路稳定性。另 外，噪声增益还是在波特图中使用的闭环增益，波特图可以向电路设计工程师提供放大器的最大带宽和 稳定性信息。环路增益等于开环增益与闭环增益之差，或者等于输入信号通过放大器并由反馈网络返回 至输入端的总增益。图 3：(a)波特图上的开环增益和噪声增益曲线；(b)电流反馈运放的频率响应电压反馈运放的增益带宽积 理想运放的增益和带宽都是无限大的。最常见的真实运放采用电压反馈，这种运放的增益和频率在被称 为“增益带宽积(GBW)”的特性中是有关系的。 电压反馈运放中的这种关系允许电路设计工程师通过控制 反馈电阻(或者阻抗)，在带宽和增益之间进行折衷。 对数响应曲线(波特图)给出 了电压反馈运放的增益随频率的变化关系，并有助于解释 GBW。从直流到由 反馈环路的主极点决定的频率之间，增益是恒定不变的。在该频率之上，增益以 6dB/8 倍程或 20dB/10倍程的速率衰减。这称为单极或者一阶响应。6dB/8 倍程的衰减速率意味着如果频率升高一倍，增益就 会减半。电压反馈运放的这种特性使电路设计工程师可在带宽和增益之间进行折衷。 在一个波特图中画出运放的开环增益和噪声增益曲线，两者的交叉点决定了最大带宽或放大器的闭环频 率(fCL)(图 4)。这两条曲线的交叉点在波特图增益轴(纵轴)上处于比最大增益小 3dB 的位置上。事实上， 噪声增益渐近地逼近开环增益。渐近响应和真实响应在 fCL 上下各一个倍程上之差将为 1dB。图 4：(a)运放的输入失调电压；(b)运放的输入偏置电流运放的供电 第一款单片运放正常工作所需的电源电压范围为±15V。 如今， 由于电路速度的提高和采用低功率电源(如 电池)供电，运放的电源正在向低电压方向发展。 尽管运放的电压规格通常被指定为对称的两极电压(如±15 V)，但是这些电压却不一定要求是对称电压 或两极电压。对运放而言，只要输入端被偏置在有源区域内(即在共模电压范围内)，那么±15V 的电源 就相当于+30V/0V 电源，或者+20V/–10V 电源。运放没有接地引脚，除非在单电源供电应用中把负电压 轨接地。运放电路的任何器件都不需要接地。高速电路的输入电压摆幅小于低速器件。器件的速度越高，其几何形状就越小，这意味着击穿电压就越 低。由于击穿电压较低，器件就必须工作在较低电源电压下。 如今，运放的击穿电压一般为±7V 左右，因此高速运放的电源电压一般为±5V，它们也能工作在+5V 的 单电源电压下。 对通用运放来说，电源电压可以低至+1.8V。这类运放由单电源供电，但这不一定意味必须采用低电源电 压。单电源电压和低电压这两个术语是两个相关而独立的概念。 运放的工艺技术 运放主要采用双极性工艺技术，但在要求在同一芯片中集成模拟和数字电路的应用中，采用 CMOS 工艺的 运放工作得很好。JFET 有时在输入级采用，以增加输入阻抗，从而降低输入偏置电流。FET 输入运放(无 论是 N 沟道还是 P 沟通)允许芯片设计工程师设计出输入信号电平可扩展至负电压轨和正电压轨的运放。 由于 BJT 是电流控制型器件，所以输入级中的双极晶体管总是汲取一些偏置电流(IB)(图 7)。但是，IB 会流经运放外部的阻抗，产生失调电压，从而导致系统错误。制造商通过在输入级采用 super-beta 晶体 管或通过构建一个补偿偏置输入架构，来解决这个问题。super-beta 晶体管具有极窄的基极区，该基极 区所产生的电流增益要比标准 BJT 中的电流增益大得多。这使得 IB 非常低，但这是以频率响应性能降低 为代价的。在偏置补偿输入中，小电流源被加在输入晶体管的基极，这样，电流源可提供输入器件所需 的偏置电流，从而大幅减小外部电路的净电流。 与 BJT 相比，CMOS 运放的输入阻抗要高得多，从而使该电流源输出的偏置电流和失调也小得多。另一方 面，与 BJT 相比，CMOS 运放具有更高的固有失调电压和更高的噪声电压，特别是在频率较低的情况下。 按应用对运放进行分类 芯片制造商利用不同的电路设计和工艺技术来强调针对特定应用的某些运放特性。上表列出了这些运放 类型的常用术语，以及它们的特性和应用范围。运算放大器应用设计的几个技巧运算放大器在电路中发挥重要的作用，其应用已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个领 域，并将在支持未来技术方面扮演重要角色。在运算放大器的实际应用中，设计工程师经 常遇到诸如选型、供电电路设计、偏置电路设计、PCB 设计等方面的问题。 如何实现微弱信号放大？ 一、如何实现微弱信号放大？ 传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型 的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？对于微弱信号的 放大， 只用单个放大器难以达到好的效果， 必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段， 而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大 器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。他表示，需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的 SPDT 模拟开关。 另有工程师朋友建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择高阻抗、低 噪声运算和低噪声电阻。建议如下： 1)电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国家半导体、 BB(已被 TI 收购)、ADI 等公司关于运放的设计手册中均可以查到。 2)推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具)，金属体接电路地，可以大大 改善电路抗干扰能力。 3)对于传感器输出的 nA 级， 选择输入电流 pA 级的运放即可。 如果对速度没有多大的要求， 运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些。 4)若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M 欧级好一些。否则对电阻要求比较高。 后级再进行 2 级放大，中间加入简单的高通电路，抑制 50Hz 干扰。 二、运算放大器的偏置设置 在双电源运放在接成单电源电路时，工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选 择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好？有的网友建议用参考 电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁路，有的网友建议用电阻，理由是成 本低而且方便，双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的话，效果最好。这种 基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的 PSRR。 但若采用电阻分压方式， 必须考虑电 源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高，PSRR 比较低。 如何解决运算放大器的零漂问题？ 三、 如何解决运算放大器的零漂问题？ 有网友指出，一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可是 在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生，如何解决这个问 题？ 对此，网友“Frank”分析道，有几种可能性会导致零漂： 1)反馈电容 ESR 特性不好，随电荷量的变化而变化；2)反馈电容两端未并上电阻，为了放 大器的工作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器 的直流工作点；3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂。 网友“camel”和“windman”还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析，认 为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放的开环输入阻抗要高、 运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电 阻太LFC2 高增益运算放大器 LFC3 中增益运算放大器 LFC4 低功耗运算放大器 LFC54 低功耗运算放大器 LFC75 低功耗运算放大器 F003 通用Ⅱ型运算放大器 F004(5G23) 中增益运算放大器 F005 中增益运算放大器 F006 通用Ⅱ型运算放大器 F007(5G24) 通用Ⅲ型运算放大器 F010 低功耗运算放大器 F011 低功耗运算放大器 F1550 射频放大器 F1490 宽频带放大器 F1590 宽频带放大器 F157/A 通用型运算放大器 F253 低功耗运算放大器 F741(F007) 通用Ⅲ型运算放大器 F741A 通用型运算放大器 F747 双运算放大器 OP-07 超低失调运算放大器 OP111A 低噪声运算放大器 F4741 通用型四运算放大器 F101A/201A 通用型运算放大器 F301A 通用型运算放大器 F108 通用型运算放大器 F308 通用型运算放大器 F110/210 电压跟随器 F310 电压跟随器 F118/218 高速运算放大器 F441 低功耗 JEET 输入运算放大器 F318 高速运算放大器 F124/224 四运算放大器 F324 四运算放大器 F148 通用型四运算放大器 F248/348 通用型四运算放大器 F158/258 单电源双运算放大器 F358 单电源双运算放大器 F1558 通用型双运算放大器 F4558 双运算放大器 LF791 单块集成功率运算放大器 LF4136 高性能四运算放大器 FD37/FD38 运算放大器 FD46 高速运送放大器LF082 高输入阻抗运送放大器 LFOP37 超低噪声精密放大器 LF3140 高输入阻抗双运送放大器 LF7650 斩波自稳零运送放大器 LZ1606 积分放大器 LZ19001 挠性石英表伺服电路变换放大器 LBMZ1901 热电偶温度变换器 LM741 运算放大器 LM747 双运算放大器 OP-07 超低失调运算放大器 LM101/201 通用型运算放大器 LM301 通用型运算放大器 LM108/208 通用型运算放大器 LM308 通用型运算放大器 LM110 电压跟随器 LM310 电压跟随器 LM118/218 高速运算放大器 LM318 高速运算放大器 LM124/224 四运算放大器 LM324 四运算放大器 LM148 四 741 运算放大器 LM248/348 四 741 运算放大器 LM158/258 单电源双运算放大器 LM358 单电源双运算放大器 LM1558 双运算放大器 OP-27CP 低噪声运算放大器 TL062 低功耗 JEET 运算放大器 TL072 低噪声 JEET 输入型运算放大器 TL081 通用 JEET 输入型运算放大器 TL082 四高阻运算放大器(JEET) TL084 四高阻运算放大器(JEET) MC1458 双运放(内补偿) LF147/347 JEET 输入型运算放大器 LF156/256/356 JEET 输入型运算放大器 LF107/307 运算放大器 LF351 宽带运算放大器 LF353 双高阻运算放大器 LF155/355 JEET 输入型运算放大器 LF157/357 JEET 输入型运算放大器 LM359 双运放(GB=400MC) LM381 双前置放大器 CA3080 跨导运算放大器 CA3100 宽频带运算放大器 CA3130 BiMOS 运算放大器CA3140 BiMOS 运算放大器 CA3240 BiMOS 双运算放大器 CA3193 BiMOS 精密运算放大器 CA3401 单电源运算放大器 MC3303 单电源四运算放大器 MC3403 低功耗四运放 LF411 低失调低漂移 JEET 输入运放 LF444 四高阻抗运算放大器 μpc4558 低噪声宽频带运放 MC4741 四通用运放 LM709 通用运放 LM725 低漂移高精度运放 LM733 宽带放大器 LM748 双运放 ICL7650 斩波稳零运放 ICL7660 CMOS 电压放大(变换)器

范文三：运算放大器应用

8.1.1 反相比例电路

1. 基本电路

电压并联负反馈输入端虚短、虚断

特点：

反相端为虚地，所以共模输入可视为0，对运放共模抑制比要求低

输出电阻小，带负载能力强

要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差。

如果要求放大倍数100，R

1=100K，Rf=10M

2. T型反馈网络

虚短、虚断

8.1.2 同相比例电路

1. 基本电路：电压串联

负反馈

输入端虚短、虚断

特点：

输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强

V-=V+=Vi，所以共模输入等于输入信号，对运放的共模 抑制比要求高 2. 电压跟随器

输入电阻大输出电阻小，能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小

8.2.1 求和电路

1. 反相求和电路

虚短、虚断

特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系

2. 同相求和电路

虚短、虚断

8.2.2 单运放和差电路

8.2.3 双运放和差电路

例1:设计一加减运算电路

i1+5Vi2-10Vi3 设计一加减运算电路，使 Vo=2V

解：用双运放实现

如果选Rf1=Rf2=100K，且R4= 100K

则：R1=50K R2=20K R5=10K

平衡电阻 R3= R1// R2// Rf1=12.5K R6=R4//R5//Rf2= 8.3K

例2:如图电路，求Avf，Ri

解：

8.3.1 积分电路

电容两端电压与电流的关系：

积分实验电路

积分电路的用途

将方波变为三角波（Vi：方波，频率500Hz，幅度1V）

将三角波变为正弦波（Vi：三角波，频率500Hz，幅度1V）

（Vi：正弦波，频率500Hz，幅度1V）

思考：输入信号与输出信号间的相位关系？

（Vi：正弦波，频率200Hz，幅度1V）

思考： 输入信号频率对输出信号幅度的影响？

积分电路的其它用途：

去除高频干扰

将方波变为三角波

移相

在模数转换中将电压量变为时间量

8.3.2 微分电路

微分实验电路

把三角波变为方波

（Vi：三角波，频率1KHz，幅度0.2V）

输入正弦波

（Vi：正弦波，频率1KHz，幅度0.2V）

思考：输入信号与输出信号间的相位关系？

（Vi：正弦波，频率500Hz，幅度1V）

思考：输入信号频率对输出信号幅度的影响？

8.4.1 对数电路

对数电路改进

基本对数电路缺点：

运算精度受温度影响大；

D/VT)与1差不多大，所以误差很大； 小信号时exp(V

二极管在电流较大时伏安特性与PN结伏安特性差别较大，所以运算只在较小的电流范围内误差较小。

改进电路1：用三极管代替二极管

电路在理想情况下可完全消除温度的影响

改进电路3：实用对数电路

如果忽略T

2基极电流， 则M点电位：

8.4.2 指数电路

1. 基本指数电路

2. 反函数型指数电路 电路必须是负反馈才能正常工作，所以：

8.5.1 基本乘除运算电路

1. 乘法电路

乘法器符号

同相乘法器 反向乘法器

2. 除法电路

8.5.2. 乘法器应用

1. 平方运算和正弦波倍频

如果输入信号是正弦波：

只要在电路输出端加一隔直电容，便可得到倍频输出信号。

2. 除法运算电路 X2>0时电路才是负反馈

注意：只有在V 负反馈时，根据虚短、虚断概念：

3. 开方运算电路

输入电压必须小于0，否则电路将变为正反馈。

两种可使输入信号大于0的方案：

3. 调制（调幅）

4. 压控增益

乘法器的一个输入端接直流电压（控制信号），另一个接输入信号，则输出信号与输入信号之比（电压增

益）成正比。 V

0=KVXvY

电流-电压变换器

由图可知

可见输出电压与输入电流成比例。

输出端的负载电流：

电流-电压变换电路

若Ｒl固定，则输出电流与输入电流成比例，此时该电路也可视为电流放大电路。

电压-电流变换器

负载不接地 负载接地

由负载不接地电路图可知：

所以输出电流与输入电压成比例。

1和R2构成电流并联负反馈；R3、R4和RL构成构成电压串联正反馈。 对负载接地电路图电路，R

讨论： iO ??，电路自激。

1. 当分母为零时，

2. 当R2 /R1 =R3 /R4时, 则：

说明iO与VS成正比 , 实现了线性变换。

电压-电流和电流-电压变换器广泛应用于放大电路和传感器的连接处，是很有用的电子电路。

8.6.1 滤波电路基础知识

一. 无源滤波电路和有源滤波电路

无源滤波电路: 由无源元件 ( R , C , L ) 组成

有源滤波电路: 用工作在线性区的集成运放和RC网络组称，实际上是一种具有特定频率响应的放大器。有

源滤波电路的优点, 缺点: 请看书。

二. 滤波电路的分类和主要参数

1. 按所处理的信号可分为模拟的和数字的两种；

2. 按所采用的元器件可分为有源和无源；

3. 按通过信号的频段可分为以下五种:

a. 低通滤波器( LPF )

Avp: 通带电压放大倍数

fp: 通带截至频率

过渡带: 越窄表明选频性能越好,理想滤波器没有过渡带

b. 高通滤波器( HPF )

c. 带通滤波器( BPF )

d. 带阻滤波器( BEF )

、

e. 全通滤波器( APF )

4. 按频率特性在截止频率fp附近形状的不同可分为Butterworth , Chebyshev 和 Bessel等。

理想有源滤波器的频响：

滤波器的用途

滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分

的干扰。滤波过程如图所示。

8.6.2 低通滤波电路 ( LPF )

低通滤波器的主要技术指标

（1）通带增益Avp

通带增益是指滤波器

在通频带内的电压放大

倍数，如图所示。性能

良好的LPF通带内的幅

频特性曲线是平坦的，

阻带内的电压放大倍数

基本为零。

（2）通带截止频率fp 其定义与放大电路的上限截止频率相同。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。

8.6.2.1 一阶低通滤波电路 ( LPF )

一. 电路构成

组成：简单RC滤波器同相放大器特点：?Avp ? >0，带负载能力强缺点：阻带衰减太慢，选择性较差。

二. 性能分析

有源滤波电路的分析方法:

v(s)?频率特性Av(jω) 1.电路图?电路的传递函数A

2. 根据定义求出主要参数

3. 画出电路的幅频特性

一阶LPF的幅频特性:

8.6.2.2 简单二阶 LPF

一. 电路构成

组成: 二阶RC网络同相放大器

通带增益： 二. 主要性能

1. 传递函数:

2.通带截止频率: 3.幅频特性:

0 后幅频特性以-40dB/dec的速度下降； 缺点：f=f0 时，放大倍数的模只有通带放大倍 特点：在 f>f

数模的三分之一。

8.6.2.3 二阶压控电压源 LPF

二阶压控电压源一般形式

二阶压控电压源LPF

分析：Avp同前

对节点 N , 可以列出下列方程：

联立求解以上三式，可得LPF的传递函数：

上式表明，该滤波器的通带增益应小于3，才能保障电路稳定工作。

频率特性:

当Avp?3时，Q =?，有源滤波器自激。由于将 接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以

在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。

二阶压控电压源LPF的幅频特性：

巴特沃思（压控）LPF

仿真结果

Q=0.707 fp=f0=100Hz

8.6.2.4 无限增益多路反馈滤波器

无限增益多路反馈有源滤波器一般形式，要求集成运放的开环增益远大于60DB

由图可知：

对节点N , 列出下列方程：

通带电压放大倍数

频率响应为：

巴特沃思（无限增益）LPF

仿真结果

Q=0.707 fp=f0=1000Hz

8.6.3 高通滤波电路 ( HPF ) 8.6.3.1 HPF与LPF的对偶关系

1. 幅频特性对偶(相频特性不对偶)

2. 传递函数对偶

低通滤波器传递函数

高通滤波器传递函数

HPF与LPF的对偶关系

3. 电路结构对偶

将起滤波作用的电容换成电阻

将起滤波作用的电阻换成电容

低通滤波电路 高通滤波电路

8.6.3.2 二阶压控电压源HPF

二阶压控电压源LPF 二阶压控电压源HPF

二阶压控电压源HPF

传递函数: 低通:

高通：

二阶压控电压源HPF

二阶压控电压源HPF幅频特性：

8.6.3.3 无限增益多路反馈HPF

无限增益多路反馈LPF

无限增益多路

反馈HPF

8.6.4 带通滤波器(BPF)

BPF的一般构成方法：

优点:通带较宽,通带截至频率容易调整

缺点:电路元件较多

一般带通滤波电路

仿真结果

二阶压控电压源BPF

二阶压控电压源一般形式

二阶压控电压源BPF

传递函数:

截止频率:

RC选定后,改变R1和Rf即可改变频带宽度

二阶压控电压源BPF仿真电路

仿真结果

8.6.5 带阻滤波器(BEF)

BEF的一般形式

缺点:电路元件较多且HPF与LPF相并比较困难。

基本BEF电路

同相比例

无源带阻(双T网络)

双T带阻网络

双T带阻网络

二阶压控电压源BEF电路

正反馈,只在f0附近起作用

传递函数

二阶压控电压源BEF仿真电路

仿

真结果

例题1：

要求二阶压控型LPF的 f0=400Hz , Q值为0.7，试求电路中的电阻、电容值。

解：根据f0 ，选取C再求R。

1. C的容量不易超过 。 因大容量的电容器体积大，

价格高，应尽量避免使用。

取

计算出：R=3979Ω 取R=3.9KΩ

2．根据Ｑ值求和，因为时，根据与、的关系，集成运放两输入端外接电阻的对称条件

根据 与R1 、Rf 的关系，集成运放两输入端外接电阻的对称条件。

例题1仿真结果

例题与习题2

例题与习题2仿真结果

例题与习题3

例题与习题3仿真结果

例题与习题4

例题与习题4仿真结果

vo1 :红色

vo :蓝色

范文四：运算放大器分析基础

运放电路分析基础

2009年 11月 21日 15:11 www.elecfans.co 作者:佚名 用户评论(0)

关键字:运放电路 (13)

运放电路分析基础

基于今天回家就停电, 到晚上 22点 30分才来电, 媳妇又回家了, 23:25才入手电脑, 因此做一些准备的知识作为今天的内容。

首先提一下分析的误差因素:

A. 运放的非理想因素(直流部分):

运算放大器的输入结构:

1. 失调电压(Offset Voltage):

该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。 它是由构成输入端差分放大 器的管子(NPN , PNP , PMOS , NMOS )参数并不是完全对称的【对于晶体管来说主要是 Ube 和 Ueb 的对称性,对于 JFET 来说主要是 Ugs ,这个不对称的电压完全可以看成人为的加了 一个电压源】 , 这就引起了失调电压, 实际在说明书中的数值是通过实验测量抵消这一电压 必须在输入端加一个与之反相的电压。

失调电压的温度漂移:失调电压是随着温度的变化而改变,一般在说明书中采用失调 电压的温度系数来使用。 如果给出了全温度范围内的最大数据, 则可以采用折算的办法。 【这 里有个有趣的事情,一般给的 Tc_vos一般偏小,而在极端温度下测得的失调电压一般要大 于常温下测试得到的最大失调电压 +温升×Tc_vos, 我们只能认为这个过程是 Tc_vos是变化 的,如果要计算恶劣的话,最好去最坏分析的情况。】

另外一点就是老化的问题:失调电压的漂移的大小是随时间而变化,它一般以 mV/月或者 mV/1,000小时来定义,这个非线性的函数与运放期间使用时间的平方根成正比。这个数据 一般不可得的, 因此在计算的时候要使用最坏分析得到这个结果。 PS :老化一般很难在计算 时加入, 但是非加入不可。 首先是汽车, 一般用 10年 15万公里是很常见的, 更别说仪器了, 往往用用 15年以上。

测试方法:

2. 偏置电流(Bias Current)

该参数是指运放输入级电流平均值【 IB+, IB-的平均值】,由构成输入端差分放大器管 子(NPN , PNP , PMOS , NMOS )的基极或栅极电流构成。 【运算放大器不提供输入级偏置电流 的电流源,是为了运放能获取尽可能宽的共模输入电压范围(直接耦合)】,此参数越小代 表信号源的内阻对运放的影响越小,同时它也影响着输入失调电流的大小。

3. 失调电流(Offset Current)

该参数是指流入两个输入端的电流之差 【 IB+, IB-的差值】, 也就是两个输入端管子的偏 置电流差值。

测试方法:

说明一点:edn 有个帖子是不错的,怎样测试运放的失调电压和偏置电流?在测试时候开关 是不能乱加的,开关有导通电阻和断开电阻,而后者如果在我们的 Rf 相当时会产生非常大 的误差。 同样的, 如果测试的电流较小的时候, 电容的非理想特性的泄漏电阻也会产生影响, 因此测量微弱电流的情况下, 可能两个东东都不能加。 以上方法只是测试相对正常的偏置电

流。

4. 差模开环放大增益(Open Loop Gain)

运放在无外加反馈条件下,输出电压的变化量与输入电压的变化量(差模放大倍数) 之比。在说明书里面一般以 Open Loop Gain表明。

测试方法:

用闭环的方法测试开环的增益,不过这里要注意信号源不能太大。可用交流的电压测 量。

5. 共模抑制比 CMRR Common Mode Rejection Ratio

该参数主要是表征放大器抑制输入共模信号的能力, 一般定义为放大器对差模信 号的电压放大倍数 (差模开环放大增益) 与对共模信号的电压放大倍数之比, 称为共模抑制 比。

测试方法:

6.

差模输入电阻

运放工作在线性区时,两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。 7. 共模输入电阻

运放工作在输入信号时(即运放两输入端输入同一个信号),共模输入电压的变化量 与对应的输入电流变化量之比。一般共模输入电阻要比差模输入电阻高很多。

测试方法:

分析运放以 TI 公司的为例 (面广, 主要是公司用的很多 TI 的运放在汽车电子上面) 以后分 析使用典型运放的参数:

B.

电阻的误差

以 KOA 电阻为例(数据全),各种电阻的初始精度和 PPM 如图。

KOA 数据

KOA 有详细的关于每款电阻的最大 PPM 如图(RN73系列为例):

以上电阻精度为初始精度, 也就是电阻制造完成后未使用的离散精度。 经过试验后电阻精度 会改变。电阻考虑的还有抵抗实验和焊接后的特性,如图:

我们需要把这些精度退化通过公式计算后才能用, MIL

定义为:

具体计算过程可以看 Blog :电阻精度分析

C. 信号源内阻

首先把输入电阻和输出电阻的概念辨析一下:

输入电阻是用来衡量放大器对信号源的影响的一个性能指标。 输出电阻用来衡量放大器带负 载能力的强弱。 输入电阻越大表明放大器从信号源取的电流越小, 放大器输入端得到的信号 电压也越大, 即信号源电压衰减的少。 输出电阻用来衡量放大器带负载能力的强弱。 当放大 器将放大了的信号输出给负载电阻时,放大器可以等效为具有内阻 Ro 的信号源,由这个信 号源向 RL 提供输出信号电压和输出信号电流。 Ro 称为放大器的输出电阻,它是从放大器输 出端向放大器本身看入的交流等效电阻。

对于我们放大来说,前面的输出就是后面的输入,也就是说我们的对象可能并不是真正的初始信号源,而 是经过处理后的信号源,因此我们要注意本级放大器的信号输入电压范围和信号输入内阻。

范文五：单电源运算放大器基础

介绍

我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是他们都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。

在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。

1． 1电源供电和单电源供电

所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC－，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。

绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。

单电源供电的电路（图一中右）运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC－引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh和Vol。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。（参见1.3节）

图一

通常单电源供电的电压一般是5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是3V也或者会更低。出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail－To－Rail的运放，这样就消除了丢失的动态范围。需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail－To－Rail的电压。虽然器件被指明是Rail－To－Rail的，如果运放的输出或者输入不支持Rail－To－Rail，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是Rail－To－Rail。这样才能保证系统的功能不会退化，这是设计者的义务。

1. 2虚地

单电源工作的运放需要外部提供一个虚地，通常情况下，这个电压是VCC/2，图二的电路可以用来产生VCC/2的电压，但是他会降低系统的低频特性。

图二

R1和R2是等值的，通过电源允许的消耗和允许的噪声来选择，电容C1是一个低通滤波器，用来减少从电源上传来的噪声。在有些应用中可以忽略缓冲运放。

在下文中，有一些电路的虚地必须要由两个电阻产生，但是其实这并不是完美的方法。在这些例子中，电阻值都大于100K，当这种情况发生时，电路图中均有注明。

1. 3交流耦合

虚地是大于电源地的直流电平，这是一个小的、局部的地电平，这样就产生了一个电势问题：输入和输出电压一般都是参考电源地的，如果直接将信号源的输出接到运放的输入端，这将会产生不可接受的直流偏移。如果发生这样的事情，运放将不能正确的响应输入电压，因为这将使信号超出运放允许的输入或者输出范围。

解决这个问题的方法将信号源和运放之间用交流耦合。使用这种方法，输入和输出器件就都可以参考系统地，并且运放电路可以参考虚地。

当不止一个运放被使用时，如果碰到以下条件级间的耦合电容就不是一定要使用： 第一级运放的参考地是虚地

第二级运放的参考第也是虚地

这两级运放的每一级都没有增益。任何直流偏置在任何一级中都将被乘以增益，并且可能使得电路超出它的正常工作电压范围。

如果有任何疑问，装配一台有耦合电容的原型，然后每次取走其中的一个，观察电工作是否正常。除非输入和输出都是参考虚地的，否则这里就必须要有耦合电容来隔离信号源和运放输入以及运放输出和负载。一个好的解决办法是断开输入和输出，然后在所有运放的两个输入脚和运放的输出脚上检查直流电压。所有的电压都必须非常接近虚地的电压，如果不是，前级的输出就就必须要用电容做隔离。（或者电路有问题）

1. 4组合运放电路

在一些应用中，组合运放可以用来节省成本和板上的空间，但是不可避免的引起相互之间的耦合，可以影响到滤波、直流偏置、噪声和其他电路特性。设计者通常从独立的功能原型开始设计，比如放大、直流偏置、滤波等等。在对每个单元模块进行校验后将他们联合起来。除非特别说明，否则本文中的所有滤波器单元的增益都是1。

1. 5选择电阻和电容的值

每一个刚开始做模拟设计的人都想知道如何选择元件的参数。电阻是应该用1欧的还是应该用1兆欧的？一般的来说普通的应用中阻值在K欧级到100K欧级是比较合适的。高速的应用中阻值在100欧级到1K欧级，但他们会增大电源的消耗。便携设计中阻值在1兆级到10兆欧级，但是他们将增大系统的噪声。用来选择调整电路参数的电阻电容值的基本方程在每张图中都已经给出。如果做滤波器，电阻的精度要选择1％ E－96系列（参看附录A）。一但电阻值的数量级确定了，选择标准的E－12系列电容。用E－24系列电容用来做参数的调整，但是应该尽量不用。用来做电路参数调整的电容不应该用5％的，应该用1％。

基本电路

2.1放大

放大电路有两个基本类型：同相放大器和反相放大器。他们的交流耦合版本如图三所示。对于交流电路，反向的意思是相角被移动180度。这种电路采用了耦合电容――Cin。Cin被用来阻止电路产生直流放大，这样电路就只会对交流产生放大作用。如果在直流电路中，Cin被省略，那么就必须对直流放大进行计算。

在高频电路中，不要违反运放的带宽限制，这是非常重要的。实际应用中，一级放大电路的增益通常是100倍（40dB），再高的放大倍数将引起电路的振荡，除非在布板的时候就非常注意。如果要得到一个放大倍数比较的大放大器，用两个等增益的运放或者多个等增益运放比用一个运放的效果要好的多。

图三

2.2衰减

传统的用运算放大器组成的反相衰减器如图4所示

图四

在电路中R2要小于R1。这种方法是不被推荐的，因为很多运放是不适宜工作在放大倍数小于1倍的情况下。正确的方法是用图5的电路。

图五

在表一中的一套规格化的R3的阻值可以用作产生不同等级的衰减。对于表中没有的阻值，可以用以下的公式计算

R3＝(Vo/Vin)/(2-2(Vo/Vin))

如果表中有值，按以下方法处理：

为Rf和Rin在1K到100K之间选择一个值，该值作为基础值。

将Rin除以二得到RinA和RinB。

将基础值分别乘以1或者2就得到了Rf、Rin1和Rin2，如图五中所示。

在表中给R3选择一个合适的比例因子，然后将他乘以基础值。

比如，如果Rf是20K，RinA和RinB都是10K，那么用12.1K的电阻就可以得到－3dB的衰减

表一

图六中同相的衰减器可以用作电压衰减和同相缓冲器使用。

图六

2．3加法器

图七是一个反相加法器，他是一个基本的音频混合器。但是该电路的很少用于真正的音频混合器。因为这会逼近运放的工作极限，实际上我们推荐用提高电源电压的办法来提高动态范围。

同相加法器是可以实现的，但是是不被推荐的。因为信号源的阻抗将会影响电路的增益。

图七

2．4减法器

就像加法器一样，图八是一个减法器。一个通常的应用就是用于去除立体声磁带中的原唱而留下伴音（在录制时两通道中的原唱电平是一样的，但是伴音是略有不同的）

图八

2． 5模拟电感

图九的电路是一个对电容进行反向操作的电路，它用来模拟电感。电感会抵制电流的变化，所以当一个直流电平加到电感上时电流的上升是一个缓慢的过程，并且电感中电阻上的压降就显得尤为重要。

图九

电感会更加容易的让低频通过它，它的特性正好和电容相反，一个理想的电感是没有电阻的，它可以让直流电没有任何限制的通过，对频率是无穷大的信号有无穷大的阻抗。

如果直流电压突然通过电阻R1加到运放的反相输入端上的时候，运放的输出将不会有任何的变化，因为这个电压同过电容C1也同样加到了正相输出端上，运放的输出端表现出了很高的阻抗，就像一个真正的电感一样。

随着电容C1不断的通过电阻R2进行充电，R2上电压不断下降，运放通过电阻R1汲取电流。随着电容不断的充电，最后运放的两个输入脚和输出脚上的电压最终趋向于虚地（Vcc/2）。

当电容C1完全被充满时，电阻R1限制了流过的电流，这就表现出一个串连在电感中电阻。这个串连的电阻就限制了电感的Q值。真正电感的直流电阻一般会比模拟的电感小的多。

这有一些模拟电感的限制：

电感的一段连接在虚地上

模拟电感的Q值无法做的很高，取决于串连的电阻R1

模拟电感并不像真正的电感一样可以储存能量，真正的电感由于磁场的作用可以引起很高的反相尖峰电压，但是模拟电感的电压受限于运放输出电压的摆幅，所以响应的脉冲受限于电压的摆幅。

2．6仪用放大器

仪用放大器用于需要对小电平信号直流信号进行放大的场合，他是由减法器拓扑而来的。仪用放大器利用了同相输入端高阻抗的优势。

基本的仪用放大器如图十所示

图十

这个电路是基本的仪用放大电路，其他的仪用放大器也如图中所示，这里的输入端也使用了单电源供电。这个电路实际上是一个单电源的应变仪。这个电路的缺点是需要完全相等的电阻，否则这个电路的共模抑制比将会很低（参看文档《Op Amps for Everyone》）。 图十中的电路可以简单的去掉三个电阻，就像图十一中的电路。

图十一

这个电路的增益非常好计算。但是这个电路也有一个缺点：那就是电路中的两个电阻必须一起更换，而且他们必须是等值的。另外还有一个缺点，第一级的运放没有产生任何有用的增益。

另外用两个运放也可以组成仪用放大器，就像图十二所示。

图十二

但是这个仪用放大器是不被推荐的，因为第一个运放的放大倍数小于一，所以他可能是不稳定的，而且Vin－上的信号要花费比Vin＋上的信号更多的时间才能到达输出端。 滤波电路

这节非常深入的介绍了用运放组成的有源滤波器。在很多情况中，为了阻挡由于虚地引起的直流电平，在运放的输入端串入了电容。这个电容实际上是一个高通滤波器，在某种意义上说，像这样的单电源运放电路都有这样的电容。设计者必须确定这个电容的容量必须要比电路中的其他电容器的容量大100倍以上。这样才可以保证电路的幅频特性不会受到这个输入电容的影响。如果这个滤波器同时还有放大作用，这个电容的容量最好是电路中其他电容容量的1000倍以上。如果输入的信号早就包含了VCC/2的直流偏置，这个电容就可以省略。

这些电路的输出都包含了VCC/2的直流偏置，如果电路是最后一级，那么就必须串入输出电容。

这里有一个有关滤波器设计的协定，这里的滤波器均采用单电源供电的运放组成。滤波器的实现很简单，但是以下几点设计者必须注意：

滤波器的拐点（中心）频率

滤波器电路的增益

带通滤波器和带阻滤波器的的Q值，低通和高通滤波器的类型（Butterworth、Chebyshev、Bessell）。

不幸的是要得到一个完全理想的滤波器是无法用一个运放组成的。即使可能，由于各个元件之间的负杂互感而导致设计者要用非常复杂的计算才能完成滤波器的设计。通常对波形的控制要求越复杂就意味者需要更多的运放，这将根据设计者可以接受的最大畸变来决定。或者可以通过几次实验而最终确定下来。如果设计者希望用最少的元件来实现滤波器，那么就别无选择，只能使用传统的滤波器，通过计算就可以得到了。

3．1 一阶滤波器

一阶滤波器是最简单的电路，他们有20dB每倍频的幅频特性

3．1．1低通滤波器

典型的低通滤波器如图十三所示

图十三

3．1．2高通滤波器

典型的高通滤波器如图十四所示

图十四

3．1．3文氏滤波器

文氏滤波器对所有的频率都有相同的增益，但是他可以改变信号的相角，他同时也用来做相角修正电路。图十五中的电路对频率是F的信号有90度的相移，对直流的相移是0度，对高频的相移是180度。

图十五

3．2二阶滤波器

二阶滤波电路一般用他们的发明者命名。他们中的少数几个至今还在使用。有一些二阶滤波器的拓扑结构可以组成低通、高通、带通、带阻滤波器，有些则不行。这里没有列出所有的滤波器拓扑结构，只是将那些容易实现和便于调整的列了出来。

二阶滤波器有40dB每倍频的幅频特性。

通常的同一个拓扑结构组成的带通和带阻滤波器使用相同的元件来调整他们的Q值，而且他们使滤波器在Butterworth和Chebyshev滤波器之间变化。必须要知道只有Butterworth滤波器可以准确的计算出拐点频率，Chebyshev和Bessell滤波器只能在Butterworth滤波器的基础上做一些微调。

我们通常用的带通和带阻滤波器有非常高的Q值。如果需要实现一个很宽的带通或者带阻滤波器就需要用高通滤波器和低通滤波器串连起来。对于带通滤波器的通过特性将是这两个滤波器的交叠部分，对于带阻滤波器的通过特性将是这两个滤波器的不重叠部分。

这里没有介绍反相 Chebyshev和 Elliptic滤波器，因为他们已经不属于电路集需要介绍的范围了。

不是所有的滤波器都可以产生我们所设想的结果――比如说滤波器在阻带的最后衰减幅度在多反馈滤波器中的会比在Sallen－Key滤波器中的大。由于这些特性超出了电路图集的介绍范围，请大家到教科书上去寻找每种电路各自的优缺点。不过这里介绍的电路在不是很特殊的情况下使用，其结果都是可以接受的。

3．2．1 Sallen－Key 滤波器

Sallen-Key滤波器是一种流行的、广泛应用的二阶滤波器。他的成本很低，仅需要一个运放和四个无源器件组成。但是换成Butterworth或Chebyshev滤波器就不可能这么容易的调整了。请设计者参看参考条目【1】和参考条目【2】，那里介绍了各种拓扑的细节。这个电路是一个单位增益的电路，改变Sallen－Key滤波器的增益同时就改变了滤波器的幅频特性和类型。实际上Sallen－Key滤波器就是增益为1的Butterworth滤波器。

图十六

3．2．2多反馈滤波器

多反馈滤波器是一种通用，低成本以及容易实现的滤波器。不幸的是，设计时的计算有些复杂，在这里不作深入的介绍。请参看参考条目【1】中的对多反馈滤波器的细节介绍。如果需要的是一个单位增益的Butterworth滤波器，那么这里的电路就可以给出一个

近似的结果。

图十七

3．2．3双T滤波器

双T滤波器既可以用一个运放也可仪用两个运放实现。他是建立在三个电阻和三个电容组成的无源网络上的。这六个元件的匹配是临界的，但幸运的是这仍是一个常容易的过程，这个网络可以用同一值的电阻和同一值的电容组成。用图中的公式就可以同时的将R3和C3计算出来。应该尽量选用同一批的元件，他们有非常相近的特性。

3．2．3．1单运放实现

图十八

如果用参数非常接近的元件组成带通滤波器，就很容易发生振荡。接到虚地的电阻最好在E－96 1％系列中选择，这样就可以破坏振荡条件。

图十九

3．2．3．2双运放实现

典型的双运放如图20到图22所示

图二十

图二十一

图二十二

3．2．4 Fliege滤波器

Fliege滤波器采用了双运放结构（图二十三～图二十六），所以相对于单运放实现的滤波器他是一种成本较高的滤波器，但是他对拐点频率或者Q值有非常强的控制能力，可以非常方便的进行调整，而且他是一种全新的滤波器。用它组成的低通、高通、和带通滤波器的增益是固定的，带阻滤波器他的增益是一。

图二十三

图二十四

图二十五

图二十六

3．2．5Akerberg－Mossberg 滤波器

图二十七～图三十中的三运放滤波器是很容易实现。对于低通和高通滤波器可以很方便的调整增益，对于带通和带阻滤波器可以非常容易的调整Q值。带阻滤波器的性能会比双T滤波器差一些，但是也不错。

图二十七

图二十八

图二十九

图三十

3．2．6 BiQuad

Biquad 滤波器是一种出名的滤波器结构（图三十一）。他只能组成低通和带通滤波器。低通滤波器可以根据需要做成同相和反相输出。

图三十一

3．2．7 Sate Variable

Sate Variable 是一种三运放或四运放的拓扑结构。第四个运放在带阻滤波器中必须使用。他也是一种非常便于调整的滤波器拓扑结构，并且他可以很方便的在低通和高通滤波器之间相互转换，另外对于带通和带阻滤波器的Q值也可以非常方便的进行调整。但是不幸的是，Akerberg－Mossberg并不是一种令人喜欢的拓扑结构。因为调整增益、类型、Q值和限制的电阻是同一个电阻。这就是很多人不愿意用它的原因，除非在应用中同时需要高通、低通、带通和带阻滤波器。

图三十二

4 参考条目

1． 有源滤波器设计，德州仪器应用报告，文献编号：SLOA049

2． 对Sallen－Key滤波器的分析，德州仪器应用报告，文献编号：SLOA024A

3． Op Amps for Everyone，Ron Mancini（Ed.），十二章，德州仪器 文献编号：SLOD006

附录A－标准电阻电容值

E－12 电阻/电容 值

1.0 1.2 1.5 2.2 2.7 3.3 4.7 5.6 6.8 8.2 E－24 电阻/电容 值

1.0 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4

2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 4.3 4.7 5.1 5.6 6.2

6.8 7.5 8.2 9.1

E-96 电阻/电容 值

1.00 1.02 1.05 1.07 1.10 1.13 1.15 1.18 1.21 1.24 1.27 1.30 1.33

1.33 1.37 1.40 1.43 1.47 1.50 1.54 1.58 1.62 1.65 1.69 1.74 1.78

1.82 1.87 1.91 1.96 2.00 2.05 2.10 2.15 2.21 2.26 2.32 2.37 2.43

2.49 2.55 2.61 2.67 2.74 2.80 2.87 2.94 3.01 3.09 3.16 3.24 3.32 3.40

3.48 3.57 3.65 3.74 3.83 3.92 4.02 4.12 4.22 4.32 4.42 4.53 4.64

4.75 4.87 4.99 5.11 5.23 5.36 5.49 5.62 5.76 5.90 6.04 6.19

6.34 6.49 6.65 6.81 6.98 7.15 7.32 7.50 7.68 7.87 8.06 8.25

8.45 8.66 8.87 9.09 9.31 9.53 9.76

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