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）。有源滤波的好处是可以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。

二阶有源低通滤波电路的画法和截止频率

2) 运放在电压比较器中的应用

R785K1

ACH_BF1

FREN1

U85PS2801-1

12

43

R273

1K

R274

1K C213

22nF

FREN1

R292200K

-+

U87B LM393DR2G

567

R2751K

图 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V4 V1=;

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： V5 V3=；

而 ()

421

2020

V4-Vref V5V R R R ++•

=；

()019

1819

0-V2 V3++•=R R R ;

有以上等式组合运算得：Vref V1 V2=-

当参考电压Vref 固定为时，电阻R30为Ωk ,电流恒定输出。

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。

4) 整流电路中的应用

图整流电路

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

C31

图热电阻测量电路

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。

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，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。

R65

5K1

R64

5K1

图电压跟随器

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。

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:

R655K1

R645K1

图 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+VCC/2，但由于电阻分压的特性所在，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：

图 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（基准电压芯片REF3033得到），该再电阻分压和经过运放跟随后得到，给到运放的同相输入端

图单电源差分输入并放大的应用

1.1.2运放的应用要点

运放单电源供电工作的运放一定要加直流偏置（如图中的），否则运放无法工作．运放

普通运放不能直接驱动容性负载，若驱动容性负载，必须用电容进行相位补

偿或输出串电阻再接负载．

运放

同向放大器的输入端一定要对地加偏置电阻作为直流通路．

上图为典型的同相放大器。其中，同相输入端的对地电阻R2有两个作用。第一个作用是通过电阻R2给运放的同相输入端提供一个对地的直流通路，使得运放内部与同相输

入端相连的基极通过电阻R2与负电源构成回路以形成基极电流（参见下图）；。