运算放大器设计与应用电子工程师必备手册下.docx

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运算放大器设计与应用电子工程师必备手册下

运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册（下）

运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册（下）

一、运算放大器设计应用经典问答集粹

二、四类运算放大器的技术发展趋势及其应用热点

一、运算放大器设计应用经典问答集粹

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MOSFET2N7000（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。

图Z0820中RC串并联网络在低、高频时的等效电路如图Z0821所示。

这是因为在频率比较低的情况下，（1/ωC）>R，而频率较高的情况下，则（1/ωC）

为调节频率方便，通常取R1=R2=R，C1=C2=C，如果令ω0＝1/RC，则上式简化为：

可见，RC串并联反馈网络的反馈系数是频率的函数。

由式GS0821可画出的幅频和相频特性，如图Z0822所示。

由图可以看出：

这就表明RC串并联网络具有选频特性。

因此图Z0820电路满足振荡的相位平衡条件。

如果同时满足振荡的幅度平衡条件，就可产生自激振荡。

振荡频率为：

一般两级阻容耦合放大器的电压增益Au远大于3，如果利用晶体管的非线性兼作稳幅环节，放大器件的工作范围将超出线性区，使振荡波形产生严重失真。

为了改善振荡波形，实用电路中常引进负反馈作稳幅环节。

图Z0820中电阻Rf和Re引入电压串联深度负反馈。

这不仅使波形改善、稳定性提高，还使电路的输入电阻增加和输出电阻减小，同时减小了放大电路对选频网络的影响，增强了振荡电路的负载能力。

通常Rf用负温度系数的热敏电阻（Rt）代替，能自动稳定增益。

假如某原因使振荡输出Uo增大，Rf上的电流增大而温度升高，阻值Rf减小，使负反馈增强，放大器的增益下降，从而起到稳幅的作用。

从图Z0820可以看出，RC串并联网络和Rf、Re，正好组成四臂电桥，放大电路输入端和输出端分别接到电桥的两对角线上，因此称为文氏电桥振荡器。

目前广泛采用集成运算放大器代替图Z0820中的两级放大电路来构成RC桥式振荡器。

图Z0823是它的基本电路。

文氏电桥振荡器的优点是：

不仅振荡较稳定，波形良好，而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节。

2.如何估算多级放大器的频宽

问：

如果设计一个带宽为DC-100MHz的放大器，总增益为50倍，共三级放大，运算放大器的单位增益带宽为1GHz，请问如何估算总带宽？

答：

（1）运放的增益带宽积=增益×（-3dB带宽），例如，若三级运放增益分配为：

第一级为：

+2，那么它的-3dB带宽=1000MHz/2=500MHz，第二和第三级的增益都为+5，那么它的-3dB带宽=1000MHz/5/1.4=140MHz，所以系统的总增益为2×5×5=50，带宽为140MHz＞100MHz，符合设计要求。

注：

这里假设所提的1000MHz运放的增益带宽积等于其单位增益时的-3dB带宽。

（2）估算放大器的带宽，要用到运放带宽积的概念，带宽积=增益X（-3dB带宽）。

按专家所给出的以上计算方法即可估算系统带宽。

（3）

3.把负电压转成正值

问：

我需要把负电压转成正值，范围是－0.494至－0.221V，想接一个反向比例运算电路，但是LM358接出来不对，op07可以，但是op07需要正负15v供电，比较麻烦。

请各位推荐一个正负5v供电的运放，谢谢了。

答：

（1）不知你要的输出电压是多少，可以用SGM358试试电源电压是正负2.75（最大）

（2）输出电压就是正的啊，0.221至0.494V，就是一个反相比例运算电路。

我再重说一下吧，其实很简单，就是把一个－0.494至－0.221V的电压转成正的即可，请大家推荐一种正负5V供电的运放。

之前我在multisim上用LM358模拟过，但是结果不对。

用op07可以，但是需要正负15V供电，比较麻烦。

谢谢各位了！

（3）楼主的问题，首先需要认真查看商品的技术规范（http:

//wwwk.heltech.edu.hel.fi/ideaport/d/lm358.pdf），问题自然明了。

答案是：

合格的LM358在+/-5V电源和RL>=10KOhm的条件下，能够满足将幅度低于-1V的低频或直流信号做等幅反向转换或传输。

这里，不要被单电源运放的名称所迷惑。

单电源运放依然可以很好地工作在双电源供电的工作环境里。

不过是因为其比常规/标准运放具有更宽、更接近Vcc/Vee电源端电压的输入/输出能力与特性，才有此专称，两者的结构本质上相同。

通用运放在线性传输范围，依然有很多实际的单电源供电应用。

楼主在模拟/仿真LM358时，可能将供电设置成正极性单电源的方式，而一般的仿真软件，可能将输入电压条件内置为Vcc/Vee电源端电压的范围，输入电压已经超出限度，结果自然不正常。

从LM358的PNP差分输入结构看，+5V单电源结构即有可能基本满足（一定条件下）初始的要求；而CA3140（http:

//www.ee.washington.edu/stores/DataSheets/linear/ca3140.pdf）的PMOS差分输入结构在单电源条

件下，满足要求的可能性更大。

OP-07运放+/-5V也是可正常工作的（http:

//www.ortodoxism.ro/datasheets/nationalsemiconductor/OP-07.pdf）。

前期分析极为重要，但还得通过实际验证。

一个反向比例器的验证测试，在面包板上极为便捷。

若有测量仪器就更为方便与直接（Tek-577-178,BJ4840）。

通过测量，还可评估一下所用仿真工具的智能程度与符合实际的概率。

供参考。

4.微弱交流信号的提取与放大的问题

问：

我的有用信号是1~100nA频率1k~10khz的交流信号，但是接收信号中又存在1uA左右的直流电流，我应该如何把我要的交流电流提取出来然后放大呢？

另外放大部分有什么好的实现方法么？

大概1nA要转换成10mV。

答：

（1）解决问题时，需要提取焦点的“差异”，从而找出解决问题的钥匙。

这里的关键就是：

实现10M欧姆跨阻比例器的直流调零。

关于电路的具体参数设计，有时常与工艺考查紧密相关。

根据经验推算：

4MHz增益带宽乘积的运放与10M欧姆的普通反馈电阻Rf实现的跨阻比例器的信号带宽可达到40KHz。

因此，对处于频率上限边界的10KHz的正弦频率分量，会有-1.83%的最大频率响应衰减。

主因就是与Rf等效并联的总分布电容Cf（电阻的封装结构电容+工艺装配结构电容--包括运放封装和PCB等空间结构电容）。

若此结果为不可接受的瓶径，可考虑用两个5M欧姆电阻串联成一个10M电阻，等效Cf约可减半。

接近80KHz的电路带宽产生的最高频响衰减的影响，将减少到约-0.0335%了。

运放宜选用Ib<0.1nA（全工作温度范围内）和高带宽的产品，以保证零点的稳定和高频响应的要求。

或者对后续电路的传输采取交流隔直方式--以消除零点漂移的影响。

运放工作电源的交流纹波电压应<2mVp-p,不宜采用开关电源供电。

整个电路需要采取电场屏蔽措施——安装在屏蔽接地的金属盒子之中。

设计的前期考虑越细致、投入越多，研制进程中翻案、返工、打补丁的机会就越少，设计质量、产品质量才能更高，设计成本反而减少，生产的后期成本也越少。

反之，结果趋势相反。

这些思想，就是那个著名的前期高设计投入、后期低生产消耗的“投入-消耗成本时间反比曲线族”的具体体现。

确实反映出设计、生产实践中的一些客观规律。

（2）谢谢你给我建议，它对我有很大的帮助，但是还是有个问题我搞不懂，怎么实现你说的“直流调零”呢？

另外能不能推荐几款合用的运放，再次感谢你。

（3）1uA直流通过10M欧姆在运放输出端通常产生+10V的输出电压。

也因此限制了交流信号的动态范围，并形成诸多不便。

将一个稳定的+10V（可用3296电位器微调）电压串接一个10M电阻连接到运放的反向输入端，形成一个相反的1uA抵消电流，10M反馈电阻中没有电流，输出直流电压也因此为零了LF356、LF411（+/-12V~15V双电源供电），OPA655（+/-5V双电源供电）。

5.紫外线传感器输出的电流放大问题

问：

传感器输出的电流大概是几十nA左右，但小弟在前面的放大问题上就碰到问题了，特向高手们请教芯片应该怎样选择，电路应该怎样设计才更好，先谢谢了。

答：

（1）你可选用FET输入级的OP如LF356A；LF351连接成倒相型OP电路；反馈电阻100M欧姆在10V输出时相当于100nA/1V输出时相当于10nA,你的传感器就是输入端的串联电阻；反馈电阻可以不并电容，有屏蔽即可稳定工作。

（2）选输入阻抗大的，温漂小的运放如AD8551。

注意输入信号的屏蔽，可用屏蔽线或双绞线。

可以将运放的输入脚在印板的上方与输入线连接（不要在印板上走线）。

这么小信号，你的传感器的温漂会影响很大。

（3）你的信号刚好允许《在无离子污染的》PCB上走线，用129成本稍高，LF351是较经济的，他的Ib小于0。

01nA刚好合你使用！

6.关于单电源运放应用

问：

如果输入信号以系统地为参考，必须加电容耦合吗?

我实际测试，无论是正，反相输入，运算都不工作。

不理解。

答：

（1）电容耦合是隔离直流分量的，不工作可能是没有静态工作点造成的。

（2）这个问题我正好遇到过，我是这样理解的：

a、一般地，噪声电压与参考电压成正比，噪声则随参考电流的增加而减小，因此，降低噪声的有效途径是采用外部噪声滤波器，对电压参考进行滤波以获得低噪声性能。

b、交流信号放大电路或音频放大电路中，也可采用电源偏置电路，将静态直流输出电压降为电源电压的一半，基于单电源工作，但输入和输出信号都需要加交流耦合电容。

c、采用单电源供电是要付出一定代价，一些输出参数势必会变差，可能出现失真或饱和。

因此需要酌情考虑。

以上供你参考。

（3）一般运放以双电源工作时是以（（V+）+（V-）））/2=0V作为参考电压的，运放工作在中间的线性区。

运放若以单电源供电，仍应当将电压参考点设置在（

（（V+）-0V）/2=（V+）/2处。

若是反相放大器，应当将同相输入端的参考电压设为V+/2，反相输