运算放大器设计及应用

电子工程专辑—为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析昀新工业和科技趋势运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)运算放大器设计及应用--电子工程师必备手册（下）电子工程专辑—为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析昀新工业和科技趋势运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)目录：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电子工程专辑—为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析昀新工业和科技趋势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）R，前者等效于一节超前型移相电路，后者等效于一节滞后型移相电路。显然频率从低到高连续变化，相移从+90°到-90°连续变化，其中必存在一个中间频率f0，使RC串并联网络的相移为零。于是满足相位平衡条件。对此，可进一步作定量分析，由图Z0821（a）得：电子工程专辑—为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析昀新工业和科技趋势运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)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：当时，的模昀大，且||=1/3，φF＝0；当f大于f0时，||都减小，且φF≠0。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，放大器件的工作电子工程专辑—为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析昀新工业和科技趋势运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)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)电子工程专辑—为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析昀新工业和科技趋势运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)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（昀大）(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（），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（）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（）。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，我电子工程专辑—为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析昀新工业和科技趋势运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)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%的昀大频率响应衰减。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的电路带宽产生的昀高频响衰减的影响，将减少到约-0.0335%了。运放宜选用Ib0.1nA（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。电子工程专辑—为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析昀新工业和科技趋势运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册