運(yùn)算放大器基本電路大全

運(yùn)算放大器電路大全

我們經(jīng)常看到很多非常經(jīng)典的運(yùn)算放大器應(yīng)用圖集，但是這些應(yīng)用都建立在雙電源的基礎(chǔ)上，很多時(shí)候，電路的設(shè)計(jì)者必須用單電源供電，但是他們不知道該如何將雙電源的電路轉(zhuǎn)換成單電源電路。

在設(shè)計(jì)單電源電路時(shí)需要比雙電源電路更加小心，設(shè)計(jì)者必須要完全理解這篇文章中所述的內(nèi)容。

1．1 電源供電和單電源供電

所有的運(yùn)算放大器都有兩個(gè)電源引腳，一般在資料中，它們的標(biāo)識(shí)是VCC＋和VCC－，但是有些時(shí)候它們的標(biāo)識(shí)是VCC＋和GND。這是因?yàn)橛行?shù)據(jù)手冊(cè)的作者企圖將這種標(biāo)識(shí)的差異作為單電源運(yùn)放和雙電源運(yùn)放的區(qū)別。但是，這并不是說他們就一定要那樣使用――他們可能可以工作在其他的電壓下。在運(yùn)放不是按默認(rèn)電壓供電的時(shí)候，需要參考運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)，特別是絕對(duì)最大供電電壓和電壓擺動(dòng)說明。

絕大多數(shù)的模擬電路設(shè)計(jì)者都知道怎么在雙電源電壓的條件下使用運(yùn)算放大器，比如圖一左邊的那個(gè)電路，一個(gè)雙電源是由一個(gè)正電源和一個(gè)相等電壓的負(fù)電源組成。一般是正負(fù)15V，正負(fù)12V和正負(fù)5V也是經(jīng)常使用的。輸入電壓和輸出電壓都是參考地給出的，還包括正負(fù)電壓的擺動(dòng)幅度極限Vom以及最大輸出擺幅。

單電源供電的電路(圖一中右)運(yùn)放的電源腳連接到正電源和地。正電源引腳接到VCC＋，地或者VCC－引腳連接到GND。將正電壓分成一半后的電壓作為虛地接到運(yùn)放的輸入引腳上，這時(shí)運(yùn)放的輸出電壓也是該虛地電壓，運(yùn)放的輸出電壓以虛地為中心，擺幅在Vom 之內(nèi)。有一些新的運(yùn)放有兩個(gè)不同的最高輸出電壓和最低輸出電壓。這種運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)特別分別指明Voh 和Vol 。需要特別注意的是有不少的設(shè)計(jì)者會(huì)很隨意的用虛地來參考輸入電壓和輸出電壓，但在大部分應(yīng)用中，輸入和輸出是參考電源地的，所以設(shè)計(jì)者必須在輸入和輸出的地方加入隔直電容，用來隔離虛地和地之間的直流電壓。(參見1.3節(jié))

圖一

通常單電源供電的電壓一般是5V，這時(shí)運(yùn)放的輸出電壓擺幅會(huì)更低。另外現(xiàn)在運(yùn)放的供電電壓也可以是3V 也或者會(huì)更低。出于這個(gè)原因在單電源供電的電路中使用的運(yùn)放基本上都是Rail－To－Rail 的運(yùn)放，這樣就消除了丟失的動(dòng)態(tài)范圍。需要特別指出的是輸入和輸出不一定都能夠承受Rail－To－Rail 的電壓。雖然器件被指明是軌至軌(Rail－To－Rail)的，如果運(yùn)放的輸出或者輸入不支持軌至軌，接近輸入或者接近輸出電壓極限的電壓可能會(huì)使運(yùn)放的功能退化，所以需要仔細(xì)的參考數(shù)據(jù)手冊(cè)是否輸入和輸出是否都是軌至軌。這樣才能保證系統(tǒng)的功能不會(huì)退化，這是設(shè)計(jì)者的義務(wù)。

1. 2 虛地

單電源工作的運(yùn)放需要外部提供一個(gè)虛地，通常情況下，這個(gè)電壓是VCC/2，圖二的電路可以用來產(chǎn)生VCC/2的電壓，但是他會(huì)降低系統(tǒng)的低頻特性。

圖二

R1 和R2 是等值的，通過電源允許的消耗和允許的噪聲來選擇，電容C1 是一個(gè)低通濾波器，用來減少從電源上傳來的噪聲。在有些應(yīng)用中可以忽略緩沖運(yùn)放。

在下文中，有一些電路的虛地必須要由兩個(gè)電阻產(chǎn)生，但是其實(shí)這并不是完美的方法。在這些例子中，電阻值都大于100K，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，電路圖中均有注明。

1. 3 交流耦合

虛地是大于電源地的直流電平，這是一個(gè)小的、局部的地電平，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)電勢(shì)問題：輸入和輸出電壓一般都是參考電源地的，如果直接將信號(hào)源的輸出接到運(yùn)放的輸入端，這將會(huì)產(chǎn)生不可接受的直流偏移。如果發(fā)生這樣的事情，運(yùn)放將不能正確的響應(yīng)輸入電壓，因?yàn)檫@將使信號(hào)超出運(yùn)放允許的輸入或者輸出范圍。

解決這個(gè)問題的方法將信號(hào)源和運(yùn)放之間用交流耦合。使用這種方法，輸入和輸出器件就都可以參考系統(tǒng)地，并且運(yùn)放電路可以參考虛地。當(dāng)不止一個(gè)運(yùn)放被使用時(shí)，如果碰到以下條件級(jí)間的耦合電容就不是一定要使用：第一級(jí)運(yùn)放的參考地是虛地
第二級(jí)運(yùn)放的參考第也是虛地
這兩級(jí)運(yùn)放的每一級(jí)都沒有增益。任何直流偏置在任何一級(jí)中都將被乘以增益，并且可能使得電路超出它的正常工作電壓范圍。

如果有任何疑問，裝配一臺(tái)有耦合電容的原型，然后每次取走其中的一個(gè)，觀察電工作是否正常。除非輸入和輸出都是參考虛地的，否則這里就必須要有耦合電容來隔離信號(hào)源和運(yùn)放輸入以及運(yùn)放輸出和負(fù)載。一個(gè)好的解決辦法是斷開輸入和輸出，然后在所有運(yùn)放的兩個(gè)輸入腳和運(yùn)放的輸出腳上檢查直流電壓。所有的電壓都必須非常接近虛地的電壓，如果不是，前級(jí)的輸出就就必須要用電容做隔離。(或者電路有問題)

1. 4 組合運(yùn)放電路

在一些應(yīng)用中，組合運(yùn)放可以用來節(jié)省成本和板上的空間，但是不可避免的引起相互之間的耦合，可以影響到濾波、直流偏置、噪聲和其他電路特性。設(shè)計(jì)者通常從獨(dú)立的功能原型開始設(shè)計(jì)，比如放大、直流偏置、濾波等等。在對(duì)每個(gè)單元模塊進(jìn)行校驗(yàn)后將他們聯(lián)合起來。除非特別說明，否則本文中的所有濾波器單元的增益都是 1。

1. 5 選擇電阻和電容的值

每一個(gè)剛開始做模擬設(shè)計(jì)的人都想知道如何選擇元件的參數(shù)。電阻是應(yīng)該用1 歐的還是應(yīng)該用1 兆歐的？一般的來說普通的應(yīng)用中阻值在K 歐級(jí)到100K 歐級(jí)是比較合適的。高速的應(yīng)用中阻值在100 歐級(jí)到1K 歐級(jí)，但他們會(huì)增大電源的消耗。便攜設(shè)計(jì)中阻值在1 兆級(jí)到10 兆歐級(jí)，但是他們將增大系統(tǒng)的噪聲。用來選擇調(diào)整電路參數(shù)的電阻電容值的基本方程在每張圖中都已經(jīng)給出。如果做濾波器，電阻的精度要選擇1％ E －96系列(參看附錄A)。一但電阻值的數(shù)量級(jí)確定了，選擇標(biāo)準(zhǔn)的E－12系列電容。

用E－24系列電容用來做參數(shù)的調(diào)整，但是應(yīng)該盡量不用。用來做電路參數(shù)調(diào)整的電容不應(yīng)該用5％的，應(yīng)該用1％。

2.1 放大

放大電路有兩個(gè)基本類型：同相放大器和反相放大器。他們的交流耦合版本如圖三所示。對(duì)于交流電路，反向的意思是相角被移動(dòng)180度。這種電路采用了耦合電容 ――Cin 。Cin被用來阻止電路產(chǎn)生直流放大，這樣電路就只會(huì)對(duì)交流產(chǎn)生放大作用。如果在直流電路中，Cin被省略，那么就必須對(duì)直流放大進(jìn)行計(jì)算。

在高頻電路中，不要違反運(yùn)放的帶寬限制，這是非常重要的。實(shí)際應(yīng)用中，一級(jí)放大電路的增益通常是100倍(40dB)，再高的放大倍數(shù)將引起電路的振蕩，除非在布板的時(shí)候就非常注意。如果要得到一個(gè)放大倍數(shù)比較的大放大器，用兩個(gè)等增益的運(yùn)放或者多個(gè)等增益運(yùn)放比用一個(gè)運(yùn)放的效果要好的多。

圖三

2.2 衰減

傳統(tǒng)的用運(yùn)算放大器組成的反相衰減器如圖四所示。

圖四

在電路中R2要小于R1。這種方法是不被推薦的，因?yàn)楹芏噙\(yùn)放是不適宜工作在放大倍數(shù)小于1倍的情況下。正確的方法是用圖五的電路。

圖五

在表一中的一套規(guī)格化的R3 的阻值可以用作產(chǎn)生不同等級(jí)的衰減。對(duì)于表中沒有的阻值，可以用以下的公式計(jì)算

R3＝(Vo/Vin)/(2-2(Vo/Vin))

如果表中有值，按以下方法處理：

為Rf和Rin在1K到100K之間選擇一個(gè)值，該值作為基礎(chǔ)值。
將Rin 除以二得到RinA 和RinB。
將基礎(chǔ)值分別乘以1 或者2 就得到了Rf、Rin1 和Rin2，如圖五中所示。
在表中給R3 選擇一個(gè)合適的比例因子，然后將他乘以基礎(chǔ)值。

比如，如果Rf是20K，RinA和RinB都是10K，那么用12.1K的電阻就可以得到－3dB的衰減。

表一

圖六中同相的衰減器可以用作電壓衰減和同相緩沖器使用。

圖六

2．3 加法器

圖七是一個(gè)反相加法器，他是一個(gè)基本的音頻混合器。但是該電路的很少用于真正的音頻混合器。因?yàn)檫@會(huì)逼近運(yùn)放的工作極限，實(shí)際上我們推薦用提高電源電壓的辦法來提高動(dòng)態(tài)范圍。

同相加法器是可以實(shí)現(xiàn)的，但是是不被推薦的。因?yàn)樾盘?hào)源的阻抗將會(huì)影響電路的增益。

圖七

2．4 減法器

就像加法器一樣，圖八是一個(gè)減法器。一個(gè)通常的應(yīng)用就是用于去除立體聲磁帶中的原唱而留下伴音(在錄制時(shí)兩通道中的原唱電平是一樣的，但是伴音是略有不同的)。

圖八

2．5 模擬電感

圖九的電路是一個(gè)對(duì)電容進(jìn)行反向操作的電路，它用來模擬電感。電感會(huì)抵制電流的變化，所以當(dāng)一個(gè)直流電平加到電感上時(shí)電流的上升是一個(gè)緩慢的過程，并且電感中電阻上的壓降就顯得尤為重要。

圖九

電感會(huì)更加容易的讓低頻通過它，它的特性正好和電容相反，一個(gè)理想的電感是沒有電阻的，它可以讓直流電沒有任何限制的通過，對(duì)頻率是無窮大的信號(hào)有無窮大的阻抗。

如果直流電壓突然通過電阻R1 加到運(yùn)放的反相輸入端上的時(shí)候，運(yùn)放的輸出將不會(huì)有任何的變化，因?yàn)檫@個(gè)電壓同過電容C1 也同樣加到了正相輸出端上，運(yùn)放的輸出端表現(xiàn)出了很高的阻抗，就像一個(gè)真正的電感一樣。

隨著電容C1 不斷的通過電阻R2 進(jìn)行充電，R2上電壓不斷下降，運(yùn)放通過電阻R1汲取電流。隨著電容不斷的充電，最后運(yùn)放的兩個(gè)輸入腳和輸出腳上的電壓最終趨向于虛地(Vcc/2)。

當(dāng)電容C1 完全被充滿時(shí)，電阻R1 限制了流過的電流，這就表現(xiàn)出一個(gè)串連在電感中電阻。這個(gè)串連的電阻就限制了電感的Q 值。真正電感的直流電阻一般會(huì)比模擬的電感小的多。這有一些模擬電感的限制：

電感的一段連接在虛地上；
模擬電感的Q值無法做的很高，取決于串連的電阻R1；
模擬電感并不像真正的電感一樣可以儲(chǔ)存能量，真正的電感由于磁場(chǎng)的作用可以引起很高的反相尖峰電壓，但是模擬電感的電壓受限于運(yùn)放輸出電壓的擺幅，所以響應(yīng)的脈沖受限于電壓的擺幅。

2．6 儀用放大器

儀用放大器用于需要對(duì)小電平信號(hào)直流信號(hào)進(jìn)行放大的場(chǎng)合，他是由減法器拓?fù)涠鴣淼?。儀用放大器利用了同相輸入端高阻抗的優(yōu)勢(shì)?；镜膬x用放大器如圖十所示。

圖十

這個(gè)電路是基本的儀用放大電路，其他的儀用放大器也如圖中所示，這里的輸入端也使用了單電源供電。這個(gè)電路實(shí)際上是一個(gè)單電源的應(yīng)變儀。這個(gè)電路的缺點(diǎn)是需要完全相等的電阻，否則這個(gè)電路的共模抑制比將會(huì)很低。

圖十中的電路可以簡(jiǎn)單的去掉三個(gè)電阻，就像圖十一中的電路。

圖十一

這個(gè)電路的增益非常好計(jì)算。但是這個(gè)電路也有一個(gè)缺點(diǎn)：那就是電路中的兩個(gè)電阻必須一起更換，而且他們必須是等值的。另外還有一個(gè)缺點(diǎn)，第一級(jí)的運(yùn)放沒有產(chǎn)生任何有用的增益。

另外用兩個(gè)運(yùn)放也可以組成儀用放大器，就像圖十二所示。

圖十二

但是這個(gè)儀用放大器是不被推薦的，因?yàn)榈谝粋€(gè)運(yùn)放的放大倍數(shù)小于一，所以他可能是不穩(wěn)定的，而且Vin －上的信號(hào)要花費(fèi)比Vin ＋上的信號(hào)更多的時(shí)間才能到達(dá)輸出端。

這節(jié)非常深入地介紹了用運(yùn)放組成的有源濾波器。在很多情況中，為了阻擋由于虛地引起的直流電平，在運(yùn)放的輸入端串入了電容。這個(gè)電容實(shí)際上是一個(gè)高通濾波器，在某種意義上說，像這樣的單電源運(yùn)放電路都有這樣的電容。設(shè)計(jì)者必須確定這個(gè)電容的容量必須要比電路中的其他電容器的容量大100 倍以上。這樣才可以保證電路的幅頻特性不會(huì)受到這個(gè)輸入電容的影響。如果這個(gè)濾波器同時(shí)還有放大作用，這個(gè)電容的容量最好是電路中其他電容容量的1000 倍以上。如果輸入的信號(hào)早就包含了VCC/2 的直流偏置，這個(gè)電容就可以省略。

這些電路的輸出都包含了VCC/2 的直流偏置，如果電路是最后一級(jí)，那么就必須串入輸出電容。

這里有一個(gè)有關(guān)濾波器設(shè)計(jì)的協(xié)定，這里的濾波器均采用單電源供電的運(yùn)放組成。濾波器的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，但是以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)者必須注意：

1. 濾波器的拐點(diǎn)(中心)頻率
2. 濾波器電路的增益
3. 帶通濾波器和帶阻濾波器的的Q值
4. 低通和高通濾波器的類型(Butterworth 、Chebyshev、Bessell)

不幸的是要得到一個(gè)完全理想的濾波器是無法用一個(gè)運(yùn)放組成的。即使可能，由于各個(gè)元件之間的負(fù)雜互感而導(dǎo)致設(shè)計(jì)者要用非常復(fù)雜的計(jì)算才能完成濾波器的設(shè)計(jì)。通常對(duì)波形的控制要求越復(fù)雜就意味者需要更多的運(yùn)放，這將根據(jù)設(shè)計(jì)者可以接受的最大畸變來決定?；蛘呖梢酝ㄟ^幾次實(shí)驗(yàn)而最終確定下來。如果設(shè)計(jì)者希望用最少的元件來實(shí)現(xiàn)濾波器，那么就別無選擇，只能使用傳統(tǒng)的濾波器，通過計(jì)算就可以得到了。

3．1 一階濾波器

一階濾波器是最簡(jiǎn)單的電路，他們有20dB 每倍頻的幅頻特性

3．1．1 低通濾波器

典型的低通濾波器如圖十三所示。

圖十三

3．1．2 高通濾波器

典型的高通濾波器如圖十四所示。

圖十四

3．1．3 文氏濾波器

文氏濾波器對(duì)所有的頻率都有相同的增益，但是它可以改變信號(hào)的相角，同時(shí)也用來做相角修正電路。圖十五中的電路對(duì)頻率是F 的信號(hào)有90 度的相移，對(duì)直流的相移是0度，對(duì)高頻的相移是180度。

圖十五

3．2 二階濾波器

二階濾波電路一般用他們的發(fā)明者命名。他們中的少數(shù)幾個(gè)至今還在使用。有一些二階濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以組成低通、高通、帶通、帶阻濾波器，有些則不行。這里沒有列出所有的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只是將那些容易實(shí)現(xiàn)和便于調(diào)整的列了出來。

二階濾波器有40dB 每倍頻的幅頻特性。

通常的同一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的帶通和帶阻濾波器使用相同的元件來調(diào)整他們的Q 值，而且他們使濾波器在Butterworth 和Chebyshev 濾波器之間變化。必須要知道只有Butterworth 濾波器可以準(zhǔn)確的計(jì)算出拐點(diǎn)頻率，Chebyshev 和Bessell濾波器只能在Butterworth 濾波器的基礎(chǔ)上做一些微調(diào)。

我們通常用的帶通和帶阻濾波器有非常高的Q 值。如果需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)很寬的帶通或者帶阻濾波器就需要用高通濾波器和低通濾波器串連起來。對(duì)于帶通濾波器的通過特性將是這兩個(gè)濾波器的交疊部分，對(duì)于帶阻濾波器的通過特性將是這兩個(gè)濾波器的不重疊部分。

這里沒有介紹反相 Chebyshev 和 Elliptic 濾波器，因?yàn)樗麄円呀?jīng)不屬于電路集需要介紹的范圍了。

不是所有的濾波器都可以產(chǎn)生我們所設(shè)想的結(jié)果――比如說濾波器在阻帶的最后衰減幅度在多反饋濾波器中的會(huì)比在Sallen－Key 濾波器中的大。由于這些特性超出了電路圖集的介紹范圍，請(qǐng)大家到教科書上去尋找每種電路各自的優(yōu)缺點(diǎn)。不過這里介紹的電路在不是很特殊的情況下使用，其結(jié)果都是可以接受的。

3．2．1 Sallen－Key濾波器

Sallen-Key 濾波器是一種流行的、廣泛應(yīng)用的二階濾波器。他的成本很低，僅需要一個(gè)運(yùn)放和四個(gè)無源器件組成。但是換成Butterworth 或Chebyshev 濾波器就不可能這么容易的調(diào)整了。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)者參看參考條目【1】和參考條目【2】，那里介紹了各種拓?fù)涞募?xì)節(jié)。

這個(gè)電路是一個(gè)單位增益的電路，改變Sallen－Key 濾波器的增益同時(shí)就改變了濾波器的幅頻特性和類型。實(shí)際上Sallen－Key 濾波器就是增益為1的Butterworth 濾波器。

圖十六

3．2．2 多反饋濾波器

多反饋濾波器是一種通用，低成本以及容易實(shí)現(xiàn)的濾波器。不幸的是，設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算有些復(fù)雜，在這里不作深入的介紹。請(qǐng)參看參考條目【1】中的對(duì)多反饋濾波器的細(xì)節(jié)介紹。如果需要的是一個(gè)單位增益的Butterworth 濾波器，那么這里的電路就可以給出一個(gè)近似的結(jié)果。

圖十七

3．2．3 雙T濾波器

雙T 濾波器既可以用一個(gè)運(yùn)放也可儀用兩個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。他是建立在三個(gè)電阻和三個(gè)電容組成的無源網(wǎng)絡(luò)上的。這六個(gè)元件的匹配是臨界的，但幸運(yùn)的是這仍是一個(gè)常容易的過程，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以用同一值的電阻和同一值的電容組成。用圖中的公式就可以同時(shí)的將R3 和C3 計(jì)算出來。應(yīng)該盡量選用同一批的元件，他們有非常相近的特性。

3．2．3．1 單運(yùn)放實(shí)現(xiàn)

圖十八

如果用參數(shù)非常接近的元件組成帶通濾波器，就很容易發(fā)生振蕩。接到虛地的電阻最好在E－96 1％系列中選擇，這樣就可以破壞振蕩條件。

圖十九

3．2．3．2 雙運(yùn)放實(shí)現(xiàn)

典型的雙運(yùn)放如圖20到圖22所示

圖二十

圖二十一

圖二十二