运算放大器应用电路的设计与制作1.docx

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运算放大器应用电路的设计与制作1

运算放大器应用电路的设计与制作

（一）运算放大器

1.原理

运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。

在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。

运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级。

图1运算放大器的特性曲线图2运算放大器输入输出端图示

图1是运算放大器的特性曲线，一般用到的只是曲线中的线性部分。

如图2所示。

U-对应的端子为“-”，当输入U-单独加于该端子时，输出电压与输入电压U-反相，故称它为反相输入端。

U+对应的端子为“＋”，当输入U+单独由该端加入时，输出电压与U+同相，故称它为同相输入端。

输出：

U0=A（U+-U-）；A称为运算放大器的开环增益（开环电压放大倍数）。

在实际运用经常将运放理想化，这是由于一般说来，运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得到:

开环电压增益Aud=∞；输入阻抗ri=∞；输出阻抗ro=0；带宽fBW=∞；失调与漂移均为零等理想化参数。

2.理想运放在线性应用时的两个重要特性

输出电压UO与输入电压之间满足关系式：

UO＝Aud（U+－U－）,由于Aud=∞，而UO为有限值，因此，U+－U－≈0。

即U+≈U－，称为“虚短”。

由于ri=∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即IIB＝0，称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。

上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

3.运算放大器的应用

（1）比例电路

所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路，比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。

（a）反向比例电路

反向比例电路如图3所示，输入信号加入反相输入端:

图3反向比例电路电路图

对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为：

为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R’＝R1//RF。

输出电压U0与输入电压Ui称比例关系，方向相反，改变比例系数，即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值。

反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求。

（b）同向比例电路

同向比例电路如图4所示，跟反向比例电路本质上差不多，除了同向接地的一段是反向输入端:

图4同相比例电路电路图

它的输出电压与输入电压之间的关系为：

；R’＝R1//RF

只要改变比例系数就能改变输出电压，且Ui与U0的方向相同，同向比例电路对集成运放的共模抑制比要求高。

（c）差动比例电路

差动比例电路如图5所示，输入信号分别加在反相输入端和同相输入端:

图5差动比例电路电路图

其输入和输出的关系为：

可以看出它实际完成的是：

对输入两信号的差运算。

（2）和/差电路

（a）反相求和电路

其电路图如图6所示（输入端的个数可根据需要进行调整）:

图6反相求和电路图

其中电阻R'满足：

它的输出电压与输入电压的关系为：

它的特点与反相比例电路相同，可以十分方便的通过改变某一电路的输入电阻，来改变电路的比例关系，而不影响其它支路的比例关系。

（b）同相求和电路

其电路如图7所示（输入端的个数可根据需要进行调整）:

图7同向求和电路图

它的输出电压与输入电压的关系为：

它的调节不如反相求和电路，而且它的共模输入信号大，因此它的应用不很广泛。

（c）和差电路

其电路图如图8所示,此电路的功能是对Ui1、Ui2进行反相求和，对Ui3、Ui4进行同相求和，然后进行的叠加即得和差结果。

图8和差电路图

它的输入输出电压的关系是：

由于该电路用一只集成运放，它的电阻计算和电路调整均不方便，因此我们常用二级集成运放组成和差电路。

它的电路图如图9所示:

图9二级集成和差电路图

它的输入输出电压的关系是：

它的后级对前级没有影响（采用理想的集成运放），它的计算十分方便。

（3）积分电路和微分电路

（a）积分电路

  其电路图如图10所示：

它是利用电容的充放电来实现积分运算，可实现积分运算及产生三角波形等。

图10积分电路图

它的输入、输出电压的关系为：

其中:

表示电容两端的初始电压值.如果电路输入的电压波形是方形，则产生三角波形输出。

（b）微分电路

微分是积分的逆运算，它的输出电压与输入电压呈微分关系。

电路如图11所示:

图11微分电路图

它的输入、输出电压的关系为：

（4）对数和指数运算电路

（a）对数运算电路

对数运算电路就是是输出电压与输入电压呈对数函数。

我们把反相比例电路中Rf用二极管或三级管代替级组成了对数运算电路。

电路图如图12所示：

图12对数运算电路

它的输入、输出电压的关系为（也可以用三级管代替二极管）:

（b）指数运算电路

指数运算电路是对数运算的逆运算,将指数运算电路的二极管（三级管）与电阻R对换即可。

电路图如13所示:

图13指数运算电路

它的输入、输出电压的关系为：

利用对数和指数运算以及比例，和差运算电路，可组成乘法或除法运算电路和其它非线性运算电路。

（二）无源滤波电路

滤波电路的作用：

允许规定范围内的信号通过；而使规定范围之外的信号不能通过。

滤波电路的分类：

*低通滤波器：

允许低频率的信号通过，将高频信号衰减；

*高通滤波器：

允许高频信号通过，将低频信号衰减；

*带通滤波器：

允许一定频带范围内的信号通过，将此频带外的信号衰减；

*带阻滤波器：

阻止某一频带范围内的信号通过，允许此频带以外的信号衰减；

仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成的滤波电路，为无源滤波电路。

它有很大的缺陷如：

电路增益小，驱动负载能力差等。

为此我们要学习有源滤波电路。

（三）有源滤波电路

有源滤波器是指利用放大器、电阻和电容组成的滤波电路，可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面。

但因受运算放大器频带限制，这种滤波器主要用于低频范围。

（1）一阶有源低通滤波器

其电路如图14-a所示，它是由一级RC低通电路的输出再接上一个同相输入比例放大器构成,幅频特性如图14-b所示,通带以外以

/十倍频衰减:

图14-a一阶有源低通滤波电路图14-b一阶有源低通幅频特性

（2）二阶有源滤波电路

为了使输出电压以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。

它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。

二阶有源滤波器的典型结构如图15所示：

为了使输出电压以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。

它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。

二阶有源滤波器的典型结构如图15所示：

图15二阶有源滤波器典型结构

2.启动Multisim10，按图16在工作区搭建二阶有源低通滤波器。

3.

4.

启动仿真，点击波特图仪，可以看见二阶有源低通滤波器的幅频特性如图17所示。

运算放大器-电路结构

运算放大器的电路结构有三种主要形式。

一是单端输入、单端输出，斩波稳定式直流放大器等采取这种形式。

二是差分输入、单端输出，大多数集成运算放大器采取这种形式。

三是差分输入、差分输出，直流放大器和部分集成放大器采取这种形式。

频率补偿

运算放大器是多级放大电路，通常在较高的频率上仍具有大于1的增益，而内部电路产生的附加相移却已达到或超过180°。

因而，在反馈运用条件下会产生自激振荡。

采用频率补偿，即采用附加电容、附加电阻等元件可减小相移，使放大器稳定。

最常用的补偿方法是单极点补偿。

它是在高增益中间放大级加反馈电容。

频率补偿所用的电容应满足下述条件：

Cf≥gm/2πfu　　　

式中gm是差动输入级的跨导，fu是放大器的稳定单位增益频带宽度。

对于通用型运算放大器来说，fu约为1兆赫，gm通常设计得很小，例如200微欧，补偿电容只需要数十皮法，它可以和放大器制做在同一芯片上。

大信号响应

在大的输入信号脉冲驱动下，运算放大器的输出电压随时间变化的最大速率称为电压摆率，通常用符号SR表示。

因为差动输入级被驱动到饱和状态时，它提供给补偿电容的充电电流与允许的放电电流不能超过输入级偏置电流I

，因此

SR＝I

/Cf　　　　

（2）

大多数运算放大器的电压摆率在1伏／微秒以下，然而在某些改进的设计中电压摆率已达到100伏／微秒以上。

运算放大器应用电路介绍

运放基础知识

1双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。

图一

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。

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。

虽然器件被指明是轨至轨（Rail－To－Rail）的，如果运放的输出或者输入不支持轨至轨，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轨至轨。

这样才能保证系统的功能不会退化，这是设计者的义务。

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。

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）

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。

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％。

6放大电路

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。

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。