运算放大器应用电路的设计与制作

运算放大器应用电路的设计与制作运算放大器 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：U 0= 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A ud =∞；输入阻抗r i =∞；输出阻抗r o =0；带宽f BW =∞；失调与漂移均为零等理想化参数。

理想运放在线性应用时的两个重要特性输出电压U O 与输入电压之间满足关系式：U O ＝A ud （U +－U －）,由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。

即U +≈U －，称为“虚短”。

由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝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。

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 ’＝R 1 // R F 。

输出电压U 0与输入电压U i 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i1fOU R R U -=它的输出电压与输入电压之间的关系为：；R’＝R 1 // R F 只要改变比例系数就能改变输出电压，且U i 与U 0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：=-fO i2i11R U (U U )R 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：f 321'//////R R R R R =它的输出电压与输入电压的关系为：i 1fO )U R R (1U +=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=33f22f 11f 0i i i U R R U R R U R R U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U i1、U i2进行反相求和，对U i3、U i4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:⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=c i b i ai R U R U R U R U 321f 0⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+=22114433f 0R U R U R U R U R U i i i i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:0101=+-=⎰t ct t i u dt u RCu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：Sir RI u U u ln 0-≈riu u S I u Re0-=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。

式中RC 10=ω称为截止角频率，传递函数的模为2)(1)(o vo v A j A ωωω+=幅角为00arctg ωωωϕ-=)(。

(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：图15 二阶有源滤波器典型结构图中，Y 1～Y 5为导纳，考虑到U P ＝U N ，可列出相应的节点方程式为： 在节点A 有：在节点B 有：联立以上二等式得：考虑到：则：A(S)即是二阶压控电压源滤波器传递函数的一般表达式。

只要适当选择Y i （i ＝1～5），就可以构成低通、高通、带通等有源滤波器。

)()()(4321=-++-+-Y U U Y U Y U U Y U U P A A O A i A 0)(54=+-Y U Y U U P A P 0))((2144321454=--⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++++Y U Y U Y Y Y Y Y Y Y Y U O i P )(ba aO N P R R R U U U +=≈[]43214321541)1()()()()(Y Y A Y Y Y Y Y Y Y Y Y A s U S U S A UF UF i O +-+++++==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，对此，张世龙没有特别指出用何种方式，只是强调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。

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。

运算放大器设计与应用1.用运算放大器做正弦波振荡有哪些经典电路问：用运算放大器做正弦波振荡器在学校时老师就教过，应该是一个常用的电路。

现在我做了几款，实际效果都不理想。

哪位做过，可否透露些经验或成功的电路？答：(1)用以下方法改进波形质量：选用高品质的电容；对运放的电源进行去耦设计；对震荡器的输出信号进行滤波处理。

(2)我曾经在铃流源电路中用到一种带有AGC电路的文氏电桥振荡器，用来产生25Hz的正弦波，如图所示。

图中使用二极管限幅代替非线性反馈元件，二极管通过对输出电压形成一个软限幅来降低失真。

文氏电桥或低失真的特性要求有个辅助电路来调节增益，辅助电路包括从在反馈环路内插入的一个非线性元件，到由外部元件构成的自动增益控制（AGC）回路。

通过D1对正弦波的负半周取样，且所取样存于C1中，选择R1和R2，必须使Q1的偏置定在中心处，使得输出电压为期望值时，（RG+RQ1）=RF/2。

当输出电压升高时，Q1增大电阻，从而使增益降低。

在上图所示的振荡器中，给运算放大器的正输入端施加0.833V电源，使输出的静态电压处在中心位置处(Vcc/2=2.5V），这里Q1多数用的是小信号的MOSFET 2N7000（N沟道，60V，7.5欧），D1则选用1N4148。

以上供你参考。

(3)为克服RC移相振荡器的缺点，常采用RC串并联电路作为选频反馈网络的正弦振荡电路，也称为文氏电桥振荡电路，如图Z0820所示。

它由两级共射电路构成的同相放大器和RC串并联反馈网络组成。

由于φA= 0，这就要求RC串并联反馈网络对某一频率的相移φF＝2nπ，才能满足振荡的相位平衡条件。

下面分析RC串并联网络的选频特性，再介绍其它有关元件的作用。