運算放大器在信號的采集、放大等各種應用中非常廣泛，其應用電路也非常多，因此我們特地針對運算放大器的各種電路的實現、參數和一些關鍵的特性做了總結，以供各位小伙伴查閱。

在模擬電路中，為了分析方便，通常將集成運放視為理想的集成運放，雖然在理論上這樣會帶來誤差，但是仍然在工程的允許范圍之內。理想的運算放大器其開環(huán)差模放大倍數為∞。也就是說，即使兩輸入端加上無窮小的輸入電壓，也足以讓運放工作在非線性區(qū)。也就是說運放開環(huán)時只有兩種輸出電壓：±Uom。但是我們需要讓運放為我所用，就需要讓運放工作在線性區(qū)域，就需要引入一個重要概念：深度負反饋。

我們經常看到很多非常經典的運算放大器應用圖集，但是他們都建立在雙電源的基礎上，很多時候，電路的設計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換成單電源電路。

我將在實際工作中我經常運用到的運放放大器電路推薦給大家;其應用領域已經延伸到汽車電子、通信、消費等各個領域，并將在未來技術方面扮演重要角色。

首先運算放大器其按參數可分為如下幾種：

通用型運算放大器：

主要特點是價格低廉、產品量大面廣,其性能指標能適合于一般性使用。

低溫漂型運算放大器：

在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中,總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。

高阻型運算放大器：

特點是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid>1GΩ~1TΩ,IB為幾皮安到幾十皮安。

高速型運算放大器：

主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。

低功耗型運算放大器：

由于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應用范圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。

高壓大功率型運算放大器：運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。

可編程控制運算放大器：

在儀器儀表得使用過程中都會涉及到量程得問題.為了得到固定電壓得輸出,就必須改變運算放大器得放大倍數。

運算放大器——4種基本運放電路(同相放大、反相放大、加法器、差分放大電路)在實際設計中需要考慮的實際問題

前言

第一篇博客就從運放入手吧，話不多說。正文開始：想必大家對運放電路都熟悉的再不能熟悉了?？墒沁@里為什么又再拿出來寫呢?肯定是有不同的知識才會有意義，所以接下來就本人在積累到的前人的知識，拿出來淺談淺談，不當之處希望大家指正。

四種基本的運算放大電路

1. 同相放大電路

同相放大電路：顧名思義輸出和輸出信號是相位相同。放大倍數由Rg和Rf共同決定。

2. 反向放大電路

反相放大電路：顧名思義輸出和輸出信號是相位相反。放大倍數由Rg和Rf共同決定。

3.加法器

加法器：顧名思義輸出是輸入信號的和。每個信號的放大倍數有反饋電阻Rf與每個輸入信號串聯的電阻R共同決定。

4. 差分放大電路

差分放大電路：輸出信號是輸入信號之差。輸出信號可先由分壓器規(guī)則計算同相輸入端的電壓V+，然后使用同相運放增益公式計算出通相輸出電壓Vout1。然后在使用反向增益公式計算反向輸出級的電壓Vout2。最后將兩個輸出電壓相加即可。

到此為止是屬于大家在都熟知的基本知識。

以上都是基于理想運算放大器設計，然而，由于運放的開環(huán)響應，會出現一些很小但應當注意的誤差項。例如反相放大器的增益是否永遠都能夠由-Rf/Rg決定，同相放大器的增益是否由1+Rf/Rg決定?答案是，但也不是。這就要考慮到運放的開環(huán)增益，理想的開環(huán)增益無窮大，那么誤差項為0;當開環(huán)增益遠遠大于預期的閉環(huán)增益時，那么誤差項的值也會小到去可在設計中忽略。但是，當閉環(huán)增益增大時，誤差項這時候就不可能被忽略掉了，如果被忽略，設計出來的電路的增益就會和理論設計的相違背。

接下來先介紹一個常見的運放的開環(huán)響應，如下圖所示。很多人一眼望去，這圖好熟悉呀。That’s right!這和簡單的低通濾波器的幅頻響應曲線圖一樣

這一曲線主要包括兩段：一段是水平的，一段是傾斜的。最左邊的頻率，開環(huán)增益為80dB(即10 000V/V)。所以這一頻率下能夠達到的最大增益為10000。只要頻率增加3個十倍頻程，這一情況就會發(fā)生顯著改變來響應曲線開始傾斜，能達到的最大增益只有小于40dB，或者小于100V/V。由此可知，在這一頻率下運放能夠獲得的最大增益就顯著被限制了。

考慮到開環(huán)增益的影響，單級反相放大和同相放大運放電路在實際中的增益由一下兩條公式給出。

考慮到上圖的開環(huán)響應圖，假設頻率足夠低，開環(huán)增益為80dB，即能夠達到的最大增益為10000.有限開環(huán)增益對反向放大電路實際增益的影響如下表所示

當Rf=Rg，理論增益為-1，有限開環(huán)增益只貢獻了0.02%的誤差。因此，使用誤差為1%的電阻時，電阻誤差都比這個誤差還要大，因此，這個由開環(huán)增益引起的0.02%的誤差便可以忽略不計了。但是當增益為-100時，誤差達到了1%，這就足夠引起注意了。略微調整電阻的值可以補償這一誤差。然而當理論增益增大到10000時，誤差也增加到了50%，無論如何調整都無法補償。如果使用一些阻值懸殊的電阻。如Rg=1Ω，Rf=1TΩ，那么能夠達到的最大增益的絕對值仍然達不到10000。就像光速一樣，你能夠無限接近它，然是永遠達不到。

同理，對于同相放大電路，其實際增益與理論增益由下表所示。低增益時誤差可忽略，或者微調電阻值便可以誤差范圍內滿足設計。但是誤差達到50%，通過調整電阻值，取一些荒謬的阻值來達到增益要求，可以接近但是永遠無法達到開環(huán)增益。

在設計單電源電路時需要比雙電源電路更加小心，設計者必須要完全理解這篇文章中所述的內容。

1.1、電源供電和單電源供電

所有的運算放大器都有兩個電源引腳，一般在資料中，它們的標識是 VCC+和 VCC-，但是有些時候它們的標識是 VCC+和 GND。這是因為有些數據手冊的作者企圖將這種標識的差異作為單電源運放和雙電源運放的區(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。在運放不是按默認電壓供電的時候，需要參考運放的數據手冊，特別是絕對最大供電電壓和電壓擺動說明。

絕大多數的模擬電路設計者都知道怎么在雙電源電壓的條件下使用運算放大器，比如圖一左邊的那個電路，一個雙電源是由一個正電源和一個相等電壓的負電源組成。一般是正負 15V，正負 12V 和正負 5V 也是經常使用的。輸入電壓和輸出電壓都是參考地給出的，還包括正負電壓的擺動幅度極限 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放的輸入引腳上，這時運放的輸出電壓也是該虛地電壓，運放的輸出電壓以虛地為中心，擺幅在 Vom 之內。有一些新的運放有兩個不同的最高輸出電壓和最低輸出電壓。這種運放的數據手冊中會特別分別指明 Voh 和 Vol。需要特別注意的是有不少的設計者會很隨意的用虛地來參考輸入電壓和輸出電壓，但在大部分應用中，輸入和輸出是參考電源地的，所以設計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))

通常單電源供電的電壓一般是 5V，這時運放的輸出電壓擺幅會更低。另外現在運放的供電電壓也可以是 3V 也或者會更低。出于這個原因在單電源供電的電路中使用的運放基本上都是 Rail-To-Rail 的運放，這樣就消除了丟失的動態(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 Rail-To-Rail 的，如果運放的輸出或者輸入不支持 Rail-To-Rail，接近輸入或者接近輸出電壓極限的電壓可能會使運放的功能退化，所以需要仔細的參考數據手冊是否輸入和輸出是否都是 Rail-To-Rail。這樣才能保證系統的功能不會退化，這是設計者的義務。

1.2、虛地

單電源工作的運放需要外部提供一個虛地，通常情況下，這個電壓是 VCC/2，圖二的電路可以用來產生 VCC/2 的電壓，但是他會降低系統的低頻特性。

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 是一個低通濾波器，用來減少從電源上傳來的噪聲。在有些應用中可以忽略緩沖運放。

在下文中，有一些電路的虛地必須要由兩個電阻產生，但是其實這并不是完美的方法。

在這些例子中，電阻值都大于 100K，當這種情況發(fā)生時，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，這是一個小的、局部的地電平，這樣就產生了一個電勢問題：輸入和輸出電壓一般都是參考電源地的，如果直接將信號源的輸出接到運放的輸入端，這將會產生不可接受的直流偏移。如果發(fā)生這樣的事情，運放將不能正確的響應輸入電壓，因為這將使信號超出運放允許的輸入或者輸出范圍。

解決這個問題的方法將信號源和運放之間用交流耦合。使用這種方法，輸入和輸出器件就都可以參考系統地，并且運放電路可以參考虛地。

當不止一個運放被使用時，如果碰到以下條件級間的耦合電容就不是一定要使用：

第一級運放的參考地是虛地

第二級運放的參考第也是虛地

這兩級運放的每一級都沒有增益。任何直流偏置在任何一級中都將被乘以增益，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，裝配一臺有耦合電容的原型，然后每次取走其中的一個，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源和運放輸入以及運放輸出和負載。一個好的解決辦法是斷開輸入和輸出，然后在所有運放的兩個輸入腳和運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 組合運放電路

在一些應用中，組合運放可以用來節(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。設計者通常從獨立的功能原型開始設計，比如放大、直流偏置、濾波等等。在對每個單元模塊進行校驗后將他們聯合起來。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

每一個剛開始做模擬設計的人都想知道如何選擇元件的參數。電阻是應該用 1 歐的還是應該用 1 兆歐的?一般的來說普通的應用中阻值在 K 歐級到 100K 歐級是比較合適的。高速的應用中阻值在 100 歐級到 1K 歐級，但他們會增大電源的消耗。便攜設計中阻值在 1 兆級到 10 兆歐級，但是他們將增大系統的噪聲。用來選擇調整電路參數的電阻電容值的基本方程在每張圖中都已經給出。如果做濾波器，電阻的精度要選擇 1% E-96 系列(參看附錄 A)。一但電阻值的數量級確定了，選擇標準的 E-12 系列電容。

用 E-24 系列電容用來做參數的調整，但是應該盡量不用。用來做電路參數調整的電容不應該用 5%的，應該用 1%。

基本電路

2.1、放大

放大電路有兩個基本類型：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。

對于交流電路，反向的意思是相角被移動 180 度。這種電路采用了耦合電容――Cin。Cin被用來阻止電路產生直流放大，這樣電路就只會對交流產生放大作用。如果在直流電路中，Cin被省略，那么就必須對直流放大進行計算。

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