运算放大器设计与应用

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1、运算放大器设计与应用运算放大器设计与应用关键字： 运算放大器 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 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

2、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

3、小信号的 MOSFET 2N7000（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 A= 0，这就要求 RC 串并联反馈网络对某一频率的相移 F2n，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，

4、（1/C ）R ，而频率较高的情况下，则（ 1/C）为调节频率方便，通常取 R1 = R2 = R，C1 = C2 = C，如果令 01/ 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

5、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

6、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

7、 带宽=1000MHz/5/1.4=140MHz，所以系统的总增益为 255=50，带宽为 140MHz100MHz，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

8、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/lm

9、358.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

10、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

11、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 1100nA 频率 1k10khz 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

12、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 Ib0.1nA（全工作温度范围内）和高带宽的产品，以保证零

13、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 （+/-12V15V 双电源供电），OPA655（+/-5V 双电源供电）。