使用运算放大器进行的电路设计有哪些？

运算放大器在信号的采集、放大等各种应用中非常广泛，其应用电路也非常多，因此我们特地针对运算放大器的各种电路的实现、参数和一些关键的特性做了总结，以供各位小伙伴查阅。

在模拟电路中，为了分析方便，通常将集成运放视为理想的集成运放，虽然在理论上这样会带来误差，但是仍然在工程的允许范围之内。理想的运算放大器其开环差模放大倍数为∞。也就是说，即使两输入端加上无穷小的输入电压，也足以让运放工作在非线性区。也就是说运放开环时只有两种输出电压：±Uom。但是我们需要让运放为我所用，就需要让运放工作在线性区域，就需要引入一个重要概念：深度负反馈。

我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是他们都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。

我将在实际工作中我经常运用到的运放放大器电路推荐给大家;其应用领域已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个领域，并将在未来技术方面扮演重要角色。

首先运算放大器其按参数可分为如下几种：

通用型运算放大器：

主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。

低温漂型运算放大器：

在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。

高阻型运算放大器：

特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>1GΩ~1TΩ,IB为几皮安到几十皮安。

高速型运算放大器：

主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。

低功耗型运算放大器：

由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。

高压大功率型运算放大器：运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。

可编程控制运算放大器：

在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出,就必须改变运算放大器得放大倍数。

运算放大器——4种基本运放电路(同相放大、反相放大、加法器、差分放大电路)在实际设计中需要考虑的实际问题

前言

第一篇博客就从运放入手吧，话不多说。正文开始：想必大家对运放电路都熟悉的再不能熟悉了。可是这里为什么又再拿出来写呢?肯定是有不同的知识才会有意义，所以接下来就本人在积累到的前人的知识，拿出来浅谈浅谈，不当之处希望大家指正。

四种基本的运算放大电路

1. 同相放大电路

同相放大电路：顾名思义输出和输出信号是相位相同。放大倍数由Rg和Rf共同决定。

2. 反向放大电路

反相放大电路：顾名思义输出和输出信号是相位相反。放大倍数由Rg和Rf共同决定。

3.加法器

加法器：顾名思义输出是输入信号的和。每个信号的放大倍数有反馈电阻Rf与每个输入信号串联的电阻R共同决定。

4. 差分放大电路

差分放大电路：输出信号是输入信号之差。输出信号可先由分压器规则计算同相输入端的电压V+，然后使用同相运放增益公式计算出通相输出电压Vout1。然后在使用反向增益公式计算反向输出级的电压Vout2。最后将两个输出电压相加即可。

到此为止是属于大家在都熟知的基本知识。

以上都是基于理想运算放大器设计，然而，由于运放的开环响应，会出现一些很小但应当注意的误差项。例如反相放大器的增益是否永远都能够由-Rf/Rg决定，同相放大器的增益是否由1+Rf/Rg决定?答案是，但也不是。这就要考虑到运放的开环增益，理想的开环增益无穷大，那么误差项为0;当开环增益远远大于预期的闭环增益时，那么误差项的值也会小到去可在设计中忽略。但是，当闭环增益增大时，误差项这时候就不可能被忽略掉了，如果被忽略，设计出来的电路的增益就会和理论设计的相违背。

接下来先介绍一个常见的运放的开环响应，如下图所示。很多人一眼望去，这图好熟悉呀。That’s right!这和简单的低通滤波器的幅频响应曲线图一样

这一曲线主要包括两段：一段是水平的，一段是倾斜的。最左边的频率，开环增益为80dB(即10 000V/V)。所以这一频率下能够达到的最大增益为10000。只要频率增加3个十倍频程，这一情况就会发生显著改变来响应曲线开始倾斜，能达到的最大增益只有小于40dB，或者小于100V/V。由此可知，在这一频率下运放能够获得的最大增益就显著被限制了。

考虑到开环增益的影响，单级反相放大和同相放大运放电路在实际中的增益由一下两条公式给出。

考虑到上图的开环响应图，假设频率足够低，开环增益为80dB，即能够达到的最大增益为10000.有限开环增益对反向放大电路实际增益的影响如下表所示

当Rf=Rg，理论增益为-1，有限开环增益只贡献了0.02%的误差。因此，使用误差为1%的电阻时，电阻误差都比这个误差还要大，因此，这个由开环增益引起的0.02%的误差便可以忽略不计了。但是当增益为-100时，误差达到了1%，这就足够引起注意了。略微调整电阻的值可以补偿这一误差。然而当理论增益增大到10000时，误差也增加到了50%，无论如何调整都无法补偿。如果使用一些阻值悬殊的电阻。如Rg=1Ω，Rf=1TΩ，那么能够达到的最大增益的绝对值仍然达不到10000。就像光速一样，你能够无限接近它，然是永远达不到。

同理，对于同相放大电路，其实际增益与理论增益由下表所示。低增益时误差可忽略，或者微调电阻值便可以误差范围内满足设计。但是误差达到50%，通过调整电阻值，取一些荒谬的阻值来达到增益要求，可以接近但是永远无法达到开环增益。

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章中所述的内容。

1.1、电源供电和单电源供电

所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是 VCC+和 VCC-，但是有些时候它们的标识是 VCC+和 GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。

绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负 15V，正负 12V 和正负 5V 也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限 Vom 以及最大输出摆幅。单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC+，地或者 VCC-引脚连接到 GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在 Vom 之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明 Voh 和 Vol。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。(参见 1.3 节)

通常单电源供电的电压一般是 5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是 3V 也或者会更低。出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是 Rail-To-Rail 的运放，这样就消除了丢失的动态范围。需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受 Rail-To-Rail 的电压。虽然器件被指明是 Rail-To-Rail 的，如果运放的输出或者输入不支持 Rail-To-Rail，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是 Rail-To-Rail。这样才能保证系统的功能不会退化，这是设计者的义务。

1.2、虚地

单电源工作的运放需要外部提供一个虚地，通常情况下，这个电压是 VCC/2，图二的电路可以用来产生 VCC/2 的电压，但是他会降低系统的低频特性。

R1 和 R2 是等值的，通过电源允许的消耗和允许的噪声来选择，电容 C1 是一个低通滤波器，用来减少从电源上传来的噪声。在有些应用中可以忽略缓冲运放。

在下文中，有一些电路的虚地必须要由两个电阻产生，但是其实这并不是完美的方法。

在这些例子中，电阻值都大于 100K，当这种情况发生时，电路图中均有注明。

1.3、交流耦合

虚地是大于电源地的直流电平，这是一个小的、局部的地电平，这样就产生了一个电势问题：输入和输出电压一般都是参考电源地的，如果直接将信号源的输出接到运放的输入端，这将会产生不可接受的直流偏移。如果发生这样的事情，运放将不能正确的响应输入电压，因为这将使信号超出运放允许的输入或者输出范围。

解决这个问题的方法将信号源和运放之间用交流耦合。使用这种方法，输入和输出器件就都可以参考系统地，并且运放电路可以参考虚地。

当不止一个运放被使用时，如果碰到以下条件级间的耦合电容就不是一定要使用：

第一级运放的参考地是虚地

第二级运放的参考第也是虚地

这两级运放的每一级都没有增益。任何直流偏置在任何一级中都将被乘以增益，并且可能使得电路超出它的正常工作电压范围。

如果有任何疑问，装配一台有耦合电容的原型，然后每次取走其中的一个，观察电工作是否正常。除非输入和输出都是参考虚地的，否则这里就必须要有耦合电容来隔离信号源和运放输入以及运放输出和负载。一个好的解决办法是断开输入和输出，然后在所有运放的两个输入脚和运放的输出脚上检查直流电压。所有的电压都必须非常接近虚地的电压，如果不是，前级的输出就就必须要用电容做隔离。(或者电路有问题)

1.4 组合运放电路

在一些应用中，组合运放可以用来节省成本和板上的空间，但是不可避免的引起相互之间的耦合，可以影响到滤波、直流偏置、噪声和其他电路特性。设计者通常从独立的功能原型开始设计，比如放大、直流偏置、滤波等等。在对每个单元模块进行校验后将他们联合起来。除非特别说明，否则本文中的所有滤波器单元的增益都是 1。

1.5 选择电阻和电容的值

每一个刚开始做模拟设计的人都想知道如何选择元件的参数。电阻是应该用 1 欧的还是应该用 1 兆欧的?一般的来说普通的应用中阻值在 K 欧级到 100K 欧级是比较合适的。高速的应用中阻值在 100 欧级到 1K 欧级，但他们会增大电源的消耗。便携设计中阻值在 1 兆级到 10 兆欧级，但是他们将增大系统的噪声。用来选择调整电路参数的电阻电容值的基本方程在每张图中都已经给出。如果做滤波器，电阻的精度要选择 1% E-96 系列(参看附录 A)。一但电阻值的数量级确定了，选择标准的 E-12 系列电容。

用 E-24 系列电容用来做参数的调整，但是应该尽量不用。用来做电路参数调整的电容不应该用 5%的，应该用 1%。

基本电路

2.1、放大

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――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。