运算放大器使用技巧与使用总结.docx

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1、运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。目前，运算放大器被广泛应用于电子行业中，但是如果在使用运算放大器的过程中不“遵守”一些规则，可能会造成严重后果。下面谈谈我用运算放大器的一点体验和经验。1.运算放大器的输出电压问题目前市场上的运算放大器依然存在一些不可避免的缺陷，输出电压很难达到其理想的电源电压（空载情况下可以达到电源电压）。而且实际应用中，输出电压都会带有一定的负载，负载越大，其电压损耗越大。那么这个时候如果引入负电源，其电压输出就能够达到理想的电源电压范围。2.运算放大器反馈回路千万不能并接电

2、容如果一个用于直流信号放大的电路，为了去耦，不小心把电容并接到了反馈回路，反馈信号的相位发生了改变，很容易就会发生振荡。所以，在放大电路中，反馈回路不能加入任何影响信号相位的电路。3.反馈回路的Layout注意事项反馈回路的元器件必须要靠近运算放大器，而且PCB走线要尽量短，同时要尽量避开数字信号、晶振等干扰源。反馈回路的布局布线不合理，则会容易引入噪声，严重会导致自激振荡。4 .运算放大器输入电压限制众所周知，电子元器件都是在特定的输入电压范围内正常工作的，运算放大器当然也不例外。如果运算放大器的输入电压超出范围，那么运算放大器就会出现工作不正常的现象，甚至一些更严重的情况。5 .运算放大器

3、使用必须重视电源滤波运算放大器的电源滤波不容忽视，电源的好坏直接影响输出。特别是对于高速运算放大器，电源纹波对运算放大器输出干扰很大，弄不好就会变成自激振荡。所以最好的运算放大器滤波是在运算放大器的电源脚旁边加一个OJuF的去耦电容和一个几十UF的锂电容，或者再串接一个小电感或者磁珠，效果会更好。只要合理的使用运算放大器，便不用担心使用运算放大器带来的问题。目前随着国内智能穿戴、便携电子设备空前发展，运算放大器的应用范围将会得到进一步提升。运算放大器或“OpAmps”有五个主要的部分：Vs-VS+和VS-称为电源轨，为运算放大器供电。从概念上讲，VOUT可以输出介于VS+和VS-之间的任何电压

4、;在实践中，它被限制为略小于VS+/大于VS-,具体取决于特定的运算放大器和负载（从运算放大器汲取多少电流）。这是由于内部晶体管上的电压降。V+和V-是运算放大器的输入端，是差分输入端，即运算放大器根据这两个输入端的差值工作。顾名思义，运算放大器对差分输入进行放大（倍增），然后将其传递到输出端。大多数运算放大器的倍增值或增益都非常高，约为100,000倍，但我们可以使用一些技术使运算放大器具有更合理的增益（例如2倍或10倍），我们将在下面的章节中看到这一点。V+也称为同相输入，V-为反相输入。比较器比较器是一种比较两个模拟电压，然后根据哪个电压较高的电压产生二进制数字输出（高或低，1或0,真或

5、假）的器件。换句话说，比较器回答了这个问题：V+高于V-吗？在上例中，我们将运算放大器的正极电源连接到+5V,负极电源连接到OV（接地）。V-由分压器（电阻Rl和R2）提供+2.5V基准电压。运算放大器提出的问题是：V+是否大于2.5V?当V+（黄色迹线）高于2.5V（红色迹线）时，输出（绿色迹线）变为高电平/真（+5V）,当V-低于2.5V时，输出变为低电平/假电平（OV/GND）。通过更改V-处的值，我们可以更改问题-例如，V是否大于IV?缓冲器运算放大器的输入是高阻抗的，这意味着它们不会消耗相对较大的电流。当提供给运算放大器的源信号也是高阻抗时，这一点尤为重要，这意味着它不能提供很大的电

6、流，否则信号会失真，因为运算放大器或负载的电流会将电压拉低。在上面的例子中，负载的输入是高阻抗的（Ik电阻限制可以提供的电流）。结果，信号（黄色迹线）在到达负载时严重失真（绿色迹线）。通过将运算放大器的输出反馈回V-,我们可以使运算放大器的增益（乘数）达到1（单位），运算放大器将从其电源轨（低阻抗）提供额外的电流。由于构成运算放大器的内部元件上的压降，我们可以看到，在这种负载下，运算放大器的输出电压最高为2.5V,但是我们可以通过为运算放大器正极供电+9V来解决这个问题：通过在缓冲配置中使用运算放大器，并为其提供足够的功率/电压，我们可以将高阻抗源转换为低阻抗输出。为了解缓冲器配置的工作机制，

7、请考虑以下三种情况（请记住输出和V-相连）：正差分输出：V+V-0运算放大器乘以差分并增加输出电压，从而增加V-处的电压并减小差分输入的大小。负差分输出：V+NOrMVERTING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一一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

8、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。Gain*1R2R1kpu(BmfMdanct=R1R2forminimumorrorduotoinputbtecurrentVCV2图32.2 衰减传统的用运算放大器组成的反相衰减器如图4所示INVERTINGGain=-R2R1R3=R1R2forminimumerrorduetoInputbiascurrent图4在电路中R2要小于Rlo这种方法是不被推荐的，因为很多运放是不适宜工作在放大倍数小于1倍的情况下。正确的方法是用图5的电路。INVERT

9、INGComponentvaluesnormalizedtounity在表一中的一套规格化的R3的阻值可以用作产生不同等级的衰减。对于表中没有的阻值，可以用以下的公式计算R3=(VoVin)/(2-2(VoVin).如果表中有值，按以下方法处理：为Rf和Rin在IK至IjI(X)K之间选择一个值,该值作为基础值。将Rin除以二得到RinA和RinBo将基础值分别乘以1或者2就得到了Rf、Rinl和Rin2,如图五中所示。在表中给R3选择一个合适的比例因子，然后将他乘以基础值。比如I,如果Rf是20K,RinA和RinB都是10K,那么用12.IK的电阻就可以得到一3dB的衰减。DBPadVou

10、tZVinR301OOoo05094418438310891340977079430931107079121203010707112071352066671.000406310085495056230642460501205024602050000507044670403680381033079035480275095403333025001003162023121202S1201677120402500016671398020000125015017780108115560166701000169001429Oo8333180125900720118.06012500.07143190801

11、1110062S020010000.055562500562002979300031600163340OoloO000505150000320156600001000005005同相的衰减器可以用作电压衰减和同相缓冲器使用。NONINVERTING三nntValUOSIzodtounityFigure 6. Noninverting Attenuation图62.3 加法器NONINVERTINGComponent values normalized to unity图七是一个反相加法器，他是一个基本的音频混合器。但是该电路的很少用于真正的音频混合器。因为这会逼近运放的工作极限，实际上我们推荐

12、用提高电源电压的办法来提高动态范围。同相加法器是可以实现的，但是是不被推荐的。因为信号源的阻抗将会影响电路的增益。图72.4 减法器就像加法器一样，图八是一个减法器。一个通常的应用就是用于去除立体声磁带中的原唱而留下伴音（在录制时两通道中的原唱电平是一样的，但是伴音是略有不同的）For RI = R3 and R2 = R4: Vout = (R2R1)(VI2-VInl)R1R2 = R3R4 for minimum error duo to Input bias current v,n1 6V20图82.5 模拟电感电路是一个对电容进行反向操作的电路，它用来模拟电感。电感会抵制电流的变化，

13、所以当一个直流电平加到电感上时电流的上升是一个缓慢的过程,并且电感中电阻上的压降就显得尤为重要。L= R1*R2*C1图9电感会更加容易的让低频通过它，它的特性正好和电容相反，一个理想的电感是没有电阻的，它可以让直流电没有任何限制的通过，对频率是无穷大的信号有无穷大的阻抗。如果直流电压突然通过电阻Rl加到运放的反相输入端上的时候，运放的输出将不会有任何的变化，因为这个电压同过电容Cl也同样加到了正相输出端上，运放的输出端表现出了很高的阻抗，就像一个真正的电感一样。随着电容Cl不断的通过电阻R2进行充电，R2上电压不断下降，运放通过电阻Rl汲取电流。随着电容不断的充电，最后运放的两个输入脚和输出

14、脚上的电压最终趋向于虚地（VCC/2）。当电容Cl完全被充满时，电阻Rl限制了流过的电流，这就表现出一个串连在电感中电阻。这个串连的电阻就限制了电感的Q值。真正电感的直流电阻一般会比模拟的电感小的多。这有一些模拟电感的限制：电感的一段连接在虚地上模拟电感的Q值无法做的很高，取决于串连的电阻Rl模拟电感并不像真正的电感一样可以储存能量，真正的电感由于磁场的作用可以引起很高的反相尖峰电压，但是模拟电感的电压受限于运放输出电压的摆幅，所以响应的脉冲受限于电压的摆幅。2.6 仪用放大器仪用放大器用于需要对小电平信号直流信号进行放大的场合，他是由减法器拓扑而来的。仪用放大器利用了同相输入端高阻抗的优势。

15、基本的仪用放大器如图十所示ASSUMES Vin- AND Vin*REFERENCED TO VccJ2Rl = R3 (matched)R2 R4 (matched)R5 = RGain R2R1 (1 2R5R7图IO这个电路是基本的仪用放大电路，其他的仪用放大器也如图中所示，这里的输入端也使用了单电源供电。这个电路实际上是一个单电源的应变仪。这个电路的缺点是需要完全相等的电阻，否则这个电路的共模抑制比将会很低（参看文档0pAmpsforEveryoneDo图十中的电路可以简单的去掉三个电阻，就像图十一中的电路。R1=R3(matched)R2=R4(matched)Gain=R2R1A

16、SSUMES Vln- AND Vln Referencedto vc-1厂 VwvmRI=R4(11utced)R2三R3(matched)Gain=IR1R2图12但是这个仪用放大器是不被推荐的，因为第一个运放的放大倍数小于一，所以他可能是不稳定的，而且Vin上的信号要花费比Vin+上的信号更多的时间才能到达输出端。在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文滤波电路这节非常深入的介绍了用运放组成的有源滤波器。在很多情况中，为了阻挡由于虚地引起的直流电平，在运放的输入端串入了电容。这个电容实际上是一个高通滤波器，在某种意义上说，像这样的单电源运放电路都有这样的电容

17、。设计者必须确定这个电容的容量必须要比电路中的其他电容器的容量大100倍以上。这样才可以保证电路的幅频特性不会受到这个输入电容的影响。如果这个滤波器同时还有放大作用，这个电容的容量最好是电路中其他电容容量的100O倍以上。如果输入的信号早就包含了VCC/2的直流偏置，这个电容就可以省略。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。这里有一个有关滤波器设计的协定，这里的滤波器均采用单电源供电的运放组成。滤波器的实现很简单，但是以下几点设计者必须注意：滤波器的拐点（中心）频率，滤波器电路的增益，带通滤波器和带阻滤波器的的Q值，低通和高通滤波器的类型（Bu

18、tterworthChebyshevBesselDo不幸的是要得到一个完全理想的滤波器是无法用一个运放组成的。即使可能，由于各个元件之间的互杂互感而导致设计者要用非常复杂的计算才能完成滤波器的设计。通常对波形的控制要求越复杂就意味着需要更多的运放，这将根据设计者可以接受的最大畸变来决定。或者可以通过几次实验而最终确定下来。如果设计者希望用最少的元件来实现滤波器，那么就别无选择，只能使用传统的滤波器，通过计算就可以得到了。3.1 一阶滤波器一阶滤波器是最简单的电路，他们有20dB每倍频的幅频特性3.1.1 低通滤波器典型的低通滤波器如图十三所示INVERTINGFo=1(2pR2C1)Gain=

19、-R2R1cmVcai O- VtcQVoUtVlnO!卜图I33.1.2 高通滤波器典型的高通滤波器如图十四所示NONINVERTINGGain = 1Fo = 1(2pR1C1)NONINVERTINGFo = 1(2pR1C1)Gain = 1 * R3R2Vcc图I43.1.3 文氏滤波器文氏滤波器对所有的频率都有相同的增益，但是他可以改变信号的相角，他同时也用来做相角修正电路。图十五中的电路对频率是F的信号有90度的相移,对直流的相移是0度,对高频的相移是180度。R1 = R2 = R3 = R F(90)1(2pR*C1)图153. 2二阶滤波器二阶滤波电路一般用他们的发明者命名

20、。他们中的少数几个至今还在使用。有一些二阶滤波器的拓扑结构可以组成低通、高通、带通、带阻滤波器，有些则不行。这里没有列出所有的滤波器拓扑结构，只是将那些容易实现和便于调整的列了出来。二阶滤波器有40dB每倍频的幅频特性。通常的同一个拓扑结构组成的带通和带阻滤波器使用相同的元件来调整他们的Q值，而且他们使滤波器在Butterworth和Chebyshev滤波器之间变化。必须要知道只有Butterworth滤波器可以准确的计算出拐点频率，Chebyshev和Bessell滤波器只能在BUtterWorth滤波器的基础上做一些微调。我们通常用的带通和带阻滤波器有非常高的Q值。如果需要实现一个很宽的带

21、通或者带阻滤波器就需要用高通滤波器和低通滤波器串连起来。对于带通滤波器的通过特性将是这两个滤波器的交叠部分，对于带阻滤波器的通过特性将是这两个滤波器的不重叠部分。这里没有介绍反相Chebyshev和Elliptic滤波器，因为他们己经不属于电路集需要介绍的范围了。不是所有的滤波器都可以产生我们所设想的结果比如说滤波器在阻带的最后衰减幅度在多反馈滤波器中的会比在Sallen-Key滤波器中的大。由于这些特性超出了电路图集的介绍范围，请大家到教科书上去寻找每种电路各自的优缺点。不过这里介绍的电路在不是很特殊的情况下使用，其结果都是可以接受的。3.1.1 Sallen-Key滤波器Sallen-Ke

22、y滤波器是一种流行的、广泛应用的二阶滤波器。他的成本很低，仅需要一个运放和四个无源器件组成。但是换成BUtIerWorth或ChebySheV滤波器就不可能这么容易的调整了。请设计者参看参考条目【I】和参考条目2,那里介绍了各种拓扑的细节。这个电路是一个单位增益的电路，改变Sallen-Key滤波器的增益同时就改变了滤波器的幅频特性和类型。实际上SaHen-Key滤波器就是增益为1的BUHerWorth滤波器。3.1.2 多反馈滤波器多反馈滤波器是一种通用，低成本以及容易实现的滤波器。不幸的是，设计时的计算有些复杂，在这里不作深入的介绍。请参看参考条目【1】中的对多反馈滤波器的细节介绍。如果需

23、要的是一个单位增益的BUtterWorth滤波器，那么这里的电路就可以给出一个近似的结果。1.OWPASSUnityGainButterworthFo1(2xRC)R1三R2Rv2R3三R(22)ClCC2三4CHIGHPASSUnityGainBUtlerWOrthFoV(2xRC)Rl三047RR2-21RClbC2C3*CBANDPASSGain2.3dBFo1(2.32RC)Rl10RR2三OOOIRR310OaCl三IOCC2C图173.1.3 双T滤波器双T滤波器既可以用一个运放也可仪用两个运放实现。他是建立在三个电阻和三个电容组成的无源网络上的。这六个元件的匹配是临界的,但幸运的

24、是这仍是一个常容易的过程,这个网络可以用同一值的电阻和同一值的电容组成。用图中的公式就可以同时的将R3和C3计算出来。应该尽量选用同一批的元件，他们有非常相近的特性。3.1.3.1 单运放实现如果用参数非常接近的元件组成带通滤波器，就很容易发生振荡。接到虚地的电阻最好在E961%系列中选择，这样就可以破坏振荡条件。VtcIsbymismatchingR3图19323.2双运放实现典型的双运放如图20到图22所示图223.1.4 Fliege滤波器Fliege滤波器采用了双运放结构（图二十三图二十六），所以相对于单运放实现的滤波器他是一种成本较高的滤波器，但是他对拐点频率或者Q值有非常强的控制能力，可以非常方便的进行调整，而且他是一种全新的滤波器。用它组成的低通、高通、和带通滤波器的增益是固定的，带阻滤波器他的增益是一。LOWPASSR2=R3三RC1三C2=CR4=R5.notcriticalFo三1(2pRC)Gainfixedat2R1三Rv2ButterworthRlR12ChebyshevR1R2ChebyshevR1R2Bessel图26