运放的应用实例和设计指南

1.1运放的典型设计和应用

1.1.1 运放的典型应用

运放的基本分析方法：虚断，虚短。对于不熟悉的运放应用电路，就使用该基本分析方法。 运放是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、 有源滤波器、

振荡器及电压比较器。

1）运放在有源滤波中的应用

图5.2有源滤波

上图是典型的有源滤波电路（赛伦 -凯 电路，是巴特沃兹电路的一种） 让大于截止频率的信号更快速的衰减，而且滤波特性对电容、电阻的要求不高。

该电路的设计要点是：在满足合适的截止频率的条件下，尽可能将

R233和R230的阻值选一

致，C50和C201的容量大小选取一致（两级 RC 电路的电阻、电容值相等时，叫赛伦凯电路） ，这 样就可以在满足滤波性能的情况下，将器件的种类归一化。

其中电阻

R280是防止输入悬空，会导致运放输出异常。

滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为 巴特沃兹，单调下降，曲线平坦最平滑；

切比雪夫，迅速衰减，但通带中有纹波；

贝塞尔（椭圆），相移与频率成正比，群延时基本是恒定。

2）运放在电压比较器中的应用

。有源滤波的好处是可以

二阶有源低通滤波 电路的画法和截止频率

+5VA

+3.3V

图5.3电压比较

上图是典型信号转换电路，将输入的交流信号，通过比较器 LM393，将其转化为同频率的方波

信号（存在反相，让软件处理一下就可以）

，该电路在交流信号测频中广泛使用。

该电路实际上是过零比较器和深度放大电路的结合。

将输出进行（1+R292/R273 ）倍的放大，放大倍数越高，方波的上升边缘越陡峭。 该电路中还有一个关键器件的阻值要注意，那就是 R275，R275决定了方波的上升速度。

3）恒流源电路的设计

如图所示，恒流原理分析过程如下:

U5B （上图中下边的运放）为电压跟随器，故 V1 V4；

由运算放大器的虚短原理，对于运放 U4A （上图中上边的运放）有： V3 V5；

而 V5 Vref-V4?R20R 20

R 21 V 4 ；

有以上等式组合运算得：

V2 V1 Vref

当参考电压 Vref 固定为1.8V 时，电阻R30为3.6 k ,电流恒定输出0.5mA 。 该恒流源电路可以设计出其他电流的恒流源，其基本思路就是：

所有的电阻都需要采用高精度

电阻，且阻值一致，用输入的参考电压（用专门的参考电压芯片）比上阻值，就是获得的输出电流

但在实际使用中，为了保护恒流源电路，一般会在输出端串一只二极管和一只电阻，这样做的 好处第一是防止外界的干扰会进入恒流源电路，导致恒流源电路的损坏，二是可以防止外界负载短 路时，不至于对恒流源电路造成损坏。

V3

V2 - 0 ? R 19

/R18 R 19 0;

use

TLC2272AIO

5

4）整流电路中的应用

图5.5 整流电路

上述电路是一个整流电路，将输入的一定频率的脉冲整流成固定的电平电压，再用此电压控制4-20mA电流的输出电流。

该电路功能类似一些DAC功能的接口。

5）热电阻测量电路

图5.6热电阻测量电路

上图的电路是典型的热电阻/电偶的测量电路，其测量思路为：将 1-10mA 的恒流源加于负载,

将会在负载上产生一定的电压，将该电压进行有源滤波处理，处理后在进行信号的调整（信号放大 或衰减），最后

将信号送入 ADC 接口。

当然，如果在一些低成本场合，上述电路图可简化为下电路

图5.7热电阻测量简化电路

6）电压跟随器

在运放的使用中，电压跟随器是一种常见的应用，该电路的好处是：一是减小负载对信号源的 影响；二是提高信号带负载的能力。

B10

PTC+

PTC+ »

TVS7

PTC-

SMBJ8.0CA

该电路应用时，要注意在输入端施加保护，可以并

TVS ，但要注意节电容对测量精度的影响

,

PTC-

C31

80R/0.4A

80R/0.4A

A ^UIIA

5

上图是运用运放实现了电阻分压的功能， 首先用电阻获得需要输出的

电压， 然后用运放对该电 压进行跟随，提高其输出能力。

+3.3VA

图5.8电压跟随器

7）单电源的应用

在运放的实际使用，我们一般为了保持运放的频率特性，一般都采用双电源供电，但有的时候 在实际使用，我们只有单电源的情况，也能实现运放的正常工作。

首先我们运用运放跟随电路，实现一个

VCC/2的分压:

C2274AID

V-

AGND

图5.10单电源的应用

该电路中R66=R67//R68， 信号的输出增益 G=-R67/R68。

具体应用如下图

运放为单+5V_AD 供电，AD 芯片的电压是 3.3V （基准电压芯片 REF3033得到），该3.3V 再电阻 分压和经过运放跟随后得到

1.65V

，给到运放的同相输入端

图5.9分压电路

当然，如果在要求不是很高的场合，我们可以直接电阻分压，获得 特性所在，其动态的响应速度会非常慢，请谨慎使用。

获得+VCC/2后，我们可以用单电源实现信号放大功能，如下图：

+VCC/2,但由于电阻分压的

+VCC

+VCC/2 IN

R66

矇-?—

-a R68 ■

^AA J ?--*■

U+24A

OUT

+VCC

AGND

4