使用運(yùn)算放大器進(jìn)行的電路設(shè)計(jì)有哪些？

運(yùn)算放大器在信號(hào)的采集、放大等各種應(yīng)用中非常廣泛，其應(yīng)用電路也非常多，因此我們特地針對(duì)運(yùn)算放大器的各種電路的實(shí)現(xiàn)、參數(shù)和一些關(guān)鍵的特性做了總結(jié)，以供各位小伙伴查閱。

在模擬電路中，為了分析方便，通常將集成運(yùn)放視為理想的集成運(yùn)放，雖然在理論上這樣會(huì)帶來誤差，但是仍然在工程的允許范圍之內(nèi)。理想的運(yùn)算放大器其開環(huán)差模放大倍數(shù)為∞。也就是說，即使兩輸入端加上無窮小的輸入電壓，也足以讓運(yùn)放工作在非線性區(qū)。也就是說運(yùn)放開環(huán)時(shí)只有兩種輸出電壓：±Uom。但是我們需要讓運(yùn)放為我所用，就需要讓運(yùn)放工作在線性區(qū)域，就需要引入一個(gè)重要概念：深度負(fù)反饋。

我們經(jīng)?？吹胶芏喾浅＝?jīng)典的運(yùn)算放大器應(yīng)用圖集，但是他們都建立在雙電源的基礎(chǔ)上，很多時(shí)候，電路的設(shè)計(jì)者必須用單電源供電，但是他們不知道該如何將雙電源的電路轉(zhuǎn)換成單電源電路。

我將在實(shí)際工作中我經(jīng)常運(yùn)用到的運(yùn)放放大器電路推薦給大家;其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)延伸到汽車電子、通信、消費(fèi)等各個(gè)領(lǐng)域，并將在未來技術(shù)方面扮演重要角色。

首先運(yùn)算放大器其按參數(shù)可分為如下幾種：

通用型運(yùn)算放大器：

主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。

低溫漂型運(yùn)算放大器：

在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中,總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。

高阻型運(yùn)算放大器：

特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid>1GΩ~1TΩ,IB為幾皮安到幾十皮安。

高速型運(yùn)算放大器：

主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。

低功耗型運(yùn)算放大器：

由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。

高壓大功率型運(yùn)算放大器：運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。

可編程控制運(yùn)算放大器：

在儀器儀表得使用過程中都會(huì)涉及到量程得問題.為了得到固定電壓得輸出,就必須改變運(yùn)算放大器得放大倍數(shù)。

運(yùn)算放大器——4種基本運(yùn)放電路(同相放大、反相放大、加法器、差分放大電路)在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要考慮的實(shí)際問題

前言

第一篇博客就從運(yùn)放入手吧，話不多說。正文開始：想必大家對(duì)運(yùn)放電路都熟悉的再不能熟悉了?？墒沁@里為什么又再拿出來寫呢?肯定是有不同的知識(shí)才會(huì)有意義，所以接下來就本人在積累到的前人的知識(shí)，拿出來淺談淺談，不當(dāng)之處希望大家指正。

四種基本的運(yùn)算放大電路

1. 同相放大電路

同相放大電路：顧名思義輸出和輸出信號(hào)是相位相同。放大倍數(shù)由Rg和Rf共同決定。

2. 反向放大電路

反相放大電路：顧名思義輸出和輸出信號(hào)是相位相反。放大倍數(shù)由Rg和Rf共同決定。

3.加法器

加法器：顧名思義輸出是輸入信號(hào)的和。每個(gè)信號(hào)的放大倍數(shù)有反饋電阻Rf與每個(gè)輸入信號(hào)串聯(lián)的電阻R共同決定。

4. 差分放大電路

差分放大電路：輸出信號(hào)是輸入信號(hào)之差。輸出信號(hào)可先由分壓器規(guī)則計(jì)算同相輸入端的電壓V+，然后使用同相運(yùn)放增益公式計(jì)算出通相輸出電壓Vout1。然后在使用反向增益公式計(jì)算反向輸出級(jí)的電壓Vout2。最后將兩個(gè)輸出電壓相加即可。

到此為止是屬于大家在都熟知的基本知識(shí)。

以上都是基于理想運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)，然而，由于運(yùn)放的開環(huán)響應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)一些很小但應(yīng)當(dāng)注意的誤差項(xiàng)。例如反相放大器的增益是否永遠(yuǎn)都能夠由-Rf/Rg決定，同相放大器的增益是否由1+Rf/Rg決定?答案是，但也不是。這就要考慮到運(yùn)放的開環(huán)增益，理想的開環(huán)增益無窮大，那么誤差項(xiàng)為0;當(dāng)開環(huán)增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)期的閉環(huán)增益時(shí)，那么誤差項(xiàng)的值也會(huì)小到去可在設(shè)計(jì)中忽略。但是，當(dāng)閉環(huán)增益增大時(shí)，誤差項(xiàng)這時(shí)候就不可能被忽略掉了，如果被忽略，設(shè)計(jì)出來的電路的增益就會(huì)和理論設(shè)計(jì)的相違背。

接下來先介紹一個(gè)常見的運(yùn)放的開環(huán)響應(yīng)，如下圖所示。很多人一眼望去，這圖好熟悉呀。That’s right!這和簡(jiǎn)單的低通濾波器的幅頻響應(yīng)曲線圖一樣

這一曲線主要包括兩段：一段是水平的，一段是傾斜的。最左邊的頻率，開環(huán)增益為80dB(即10 000V/V)。所以這一頻率下能夠達(dá)到的最大增益為10000。只要頻率增加3個(gè)十倍頻程，這一情況就會(huì)發(fā)生顯著改變來響應(yīng)曲線開始傾斜，能達(dá)到的最大增益只有小于40dB，或者小于100V/V。由此可知，在這一頻率下運(yùn)放能夠獲得的最大增益就顯著被限制了。

考慮到開環(huán)增益的影響，單級(jí)反相放大和同相放大運(yùn)放電路在實(shí)際中的增益由一下兩條公式給出。

考慮到上圖的開環(huán)響應(yīng)圖，假設(shè)頻率足夠低，開環(huán)增益為80dB，即能夠達(dá)到的最大增益為10000.有限開環(huán)增益對(duì)反向放大電路實(shí)際增益的影響如下表所示

當(dāng)Rf=Rg，理論增益為-1，有限開環(huán)增益只貢獻(xiàn)了0.02%的誤差。因此，使用誤差為1%的電阻時(shí)，電阻誤差都比這個(gè)誤差還要大，因此，這個(gè)由開環(huán)增益引起的0.02%的誤差便可以忽略不計(jì)了。但是當(dāng)增益為-100時(shí)，誤差達(dá)到了1%，這就足夠引起注意了。略微調(diào)整電阻的值可以補(bǔ)償這一誤差。然而當(dāng)理論增益增大到10000時(shí)，誤差也增加到了50%，無論如何調(diào)整都無法補(bǔ)償。如果使用一些阻值懸殊的電阻。如Rg=1Ω，Rf=1TΩ，那么能夠達(dá)到的最大增益的絕對(duì)值仍然達(dá)不到10000。就像光速一樣，你能夠無限接近它，然是永遠(yuǎn)達(dá)不到。

同理，對(duì)于同相放大電路，其實(shí)際增益與理論增益由下表所示。低增益時(shí)誤差可忽略，或者微調(diào)電阻值便可以誤差范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)。但是誤差達(dá)到50%，通過調(diào)整電阻值，取一些荒謬的阻值來達(dá)到增益要求，可以接近但是永遠(yuǎn)無法達(dá)到開環(huán)增益。

在設(shè)計(jì)單電源電路時(shí)需要比雙電源電路更加小心，設(shè)計(jì)者必須要完全理解這篇文章中所述的內(nèi)容。

1.1、電源供電和單電源供電

所有的運(yùn)算放大器都有兩個(gè)電源引腳，一般在資料中，它們的標(biāo)識(shí)是 VCC+和 VCC-，但是有些時(shí)候它們的標(biāo)識(shí)是 VCC+和 GND。這是因?yàn)橛行?shù)據(jù)手冊(cè)的作者企圖將這種標(biāo)識(shí)的差異作為單電源運(yùn)放和雙電源運(yùn)放的區(qū)別。但是，這并不是說他們就一定要那樣使用――他們可能可以工作在其他的電壓下。在運(yùn)放不是按默認(rèn)電壓供電的時(shí)候，需要參考運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)，特別是絕對(duì)最大供電電壓和電壓擺動(dòng)說明。

絕大多數(shù)的模擬電路設(shè)計(jì)者都知道怎么在雙電源電壓的條件下使用運(yùn)算放大器，比如圖一左邊的那個(gè)電路，一個(gè)雙電源是由一個(gè)正電源和一個(gè)相等電壓的負(fù)電源組成。一般是正負(fù) 15V，正負(fù) 12V 和正負(fù) 5V 也是經(jīng)常使用的。輸入電壓和輸出電壓都是參考地給出的，還包括正負(fù)電壓的擺動(dòng)幅度極限 Vom 以及最大輸出擺幅。單電源供電的電路(圖一中右)運(yùn)放的電源腳連接到正電源和地。正電源引腳接到VCC+，地或者 VCC-引腳連接到 GND。將正電壓分成一半后的電壓作為虛地接到運(yùn)放的輸入引腳上，這時(shí)運(yùn)放的輸出電壓也是該虛地電壓，運(yùn)放的輸出電壓以虛地為中心，擺幅在 Vom 之內(nèi)。有一些新的運(yùn)放有兩個(gè)不同的最高輸出電壓和最低輸出電壓。這種運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)特別分別指明 Voh 和 Vol。需要特別注意的是有不少的設(shè)計(jì)者會(huì)很隨意的用虛地來參考輸入電壓和輸出電壓，但在大部分應(yīng)用中，輸入和輸出是參考電源地的，所以設(shè)計(jì)者必須在輸入和輸出的地方加入隔直電容，用來隔離虛地和地之間的直流電壓。(參見 1.3 節(jié))

通常單電源供電的電壓一般是 5V，這時(shí)運(yùn)放的輸出電壓擺幅會(huì)更低。另外現(xiàn)在運(yùn)放的供電電壓也可以是 3V 也或者會(huì)更低。出于這個(gè)原因在單電源供電的電路中使用的運(yùn)放基本上都是 Rail-To-Rail 的運(yùn)放，這樣就消除了丟失的動(dòng)態(tài)范圍。需要特別指出的是輸入和輸出不一定都能夠承受 Rail-To-Rail 的電壓。雖然器件被指明是 Rail-To-Rail 的，如果運(yùn)放的輸出或者輸入不支持 Rail-To-Rail，接近輸入或者接近輸出電壓極限的電壓可能會(huì)使運(yùn)放的功能退化，所以需要仔細(xì)的參考數(shù)據(jù)手冊(cè)是否輸入和輸出是否都是 Rail-To-Rail。這樣才能保證系統(tǒng)的功能不會(huì)退化，這是設(shè)計(jì)者的義務(wù)。

1.2、虛地

單電源工作的運(yùn)放需要外部提供一個(gè)虛地，通常情況下，這個(gè)電壓是 VCC/2，圖二的電路可以用來產(chǎn)生 VCC/2 的電壓，但是他會(huì)降低系統(tǒng)的低頻特性。

R1 和 R2 是等值的，通過電源允許的消耗和允許的噪聲來選擇，電容 C1 是一個(gè)低通濾波器，用來減少?gòu)碾娫瓷蟼鱽淼脑肼?。在有些?yīng)用中可以忽略緩沖運(yùn)放。

在下文中，有一些電路的虛地必須要由兩個(gè)電阻產(chǎn)生，但是其實(shí)這并不是完美的方法。

在這些例子中，電阻值都大于 100K，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，電路圖中均有注明。

1.3、交流耦合

虛地是大于電源地的直流電平，這是一個(gè)小的、局部的地電平，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)電勢(shì)問題：輸入和輸出電壓一般都是參考電源地的，如果直接將信號(hào)源的輸出接到運(yùn)放的輸入端，這將會(huì)產(chǎn)生不可接受的直流偏移。如果發(fā)生這樣的事情，運(yùn)放將不能正確的響應(yīng)輸入電壓，因?yàn)檫@將使信號(hào)超出運(yùn)放允許的輸入或者輸出范圍。

解決這個(gè)問題的方法將信號(hào)源和運(yùn)放之間用交流耦合。使用這種方法，輸入和輸出器件就都可以參考系統(tǒng)地，并且運(yùn)放電路可以參考虛地。

當(dāng)不止一個(gè)運(yùn)放被使用時(shí)，如果碰到以下條件級(jí)間的耦合電容就不是一定要使用：

第一級(jí)運(yùn)放的參考地是虛地

第二級(jí)運(yùn)放的參考第也是虛地

這兩級(jí)運(yùn)放的每一級(jí)都沒有增益。任何直流偏置在任何一級(jí)中都將被乘以增益，并且可能使得電路超出它的正常工作電壓范圍。

如果有任何疑問，裝配一臺(tái)有耦合電容的原型，然后每次取走其中的一個(gè)，觀察電工作是否正常。除非輸入和輸出都是參考虛地的，否則這里就必須要有耦合電容來隔離信號(hào)源和運(yùn)放輸入以及運(yùn)放輸出和負(fù)載。一個(gè)好的解決辦法是斷開輸入和輸出，然后在所有運(yùn)放的兩個(gè)輸入腳和運(yùn)放的輸出腳上檢查直流電壓。所有的電壓都必須非常接近虛地的電壓，如果不是，前級(jí)的輸出就就必須要用電容做隔離。(或者電路有問題)

1.4 組合運(yùn)放電路

在一些應(yīng)用中，組合運(yùn)放可以用來節(jié)省成本和板上的空間，但是不可避免的引起相互之間的耦合，可以影響到濾波、直流偏置、噪聲和其他電路特性。設(shè)計(jì)者通常從獨(dú)立的功能原型開始設(shè)計(jì)，比如放大、直流偏置、濾波等等。在對(duì)每個(gè)單元模塊進(jìn)行校驗(yàn)后將他們聯(lián)合起來。除非特別說明，否則本文中的所有濾波器單元的增益都是 1。

1.5 選擇電阻和電容的值

每一個(gè)剛開始做模擬設(shè)計(jì)的人都想知道如何選擇元件的參數(shù)。電阻是應(yīng)該用 1 歐的還是應(yīng)該用 1 兆歐的?一般的來說普通的應(yīng)用中阻值在 K 歐級(jí)到 100K 歐級(jí)是比較合適的。高速的應(yīng)用中阻值在 100 歐級(jí)到 1K 歐級(jí)，但他們會(huì)增大電源的消耗。便攜設(shè)計(jì)中阻值在 1 兆級(jí)到 10 兆歐級(jí)，但是他們將增大系統(tǒng)的噪聲。用來選擇調(diào)整電路參數(shù)的電阻電容值的基本方程在每張圖中都已經(jīng)給出。如果做濾波器，電阻的精度要選擇 1% E-96 系列(參看附錄 A)。一但電阻值的數(shù)量級(jí)確定了，選擇標(biāo)準(zhǔn)的 E-12 系列電容。

用 E-24 系列電容用來做參數(shù)的調(diào)整，但是應(yīng)該盡量不用。用來做電路參數(shù)調(diào)整的電容不應(yīng)該用 5%的，應(yīng)該用 1%。

基本電路

2.1、放大

放大電路有兩個(gè)基本類型：同相放大器和反相放大器。他們的交流耦合版本如圖三所示。

對(duì)于交流電路，反向的意思是相角被移動(dòng) 180 度。這種電路采用了耦合電容――Cin。Cin被用來阻止電路產(chǎn)生直流放大，這樣電路就只會(huì)對(duì)交流產(chǎn)生放大作用。如果在直流電路中，Cin被省略，那么就必須對(duì)直流放大進(jìn)行計(jì)算。

在高頻電路中，不要違反運(yùn)放的帶寬限制，這是非常重要的。實(shí)際應(yīng)用中，一級(jí)放大電路的增益通常是 100 倍(40dB)，再高的放大倍數(shù)將引起電路的振蕩，除非在布板的時(shí)候就非常注意。如果要得到一個(gè)放大倍數(shù)比較的大放大器，用兩個(gè)等增益的運(yùn)放或者多個(gè)等增益運(yùn)放比用一個(gè)運(yùn)放的效果要好的多。