运算放大器设计与应用―电子工程师必备手册(下).docx

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 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 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 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=5uS ，它的非推挽的电阻上拉输出结构，运放带宽和运放的反馈电容 C 构成了限制带宽的主要因素验证时，建议先（施加）直流 --便于测量各点工作电压，工作状态正常后再施加交流信号 21.信号调理方案 问： 我要进行材料应变测量，采用的信号调理方案如下： 一、设计初期，通过低通滤波器，滤波，信号受系统的温度漂移影响较大。

无法检测有用的信号 二、由于电桥输出电压大约 5 毫伏（0~100HZ），采用 AD620 前置放大，用 MAX038 提供方波参考信号，通 过乘法器 AD534 将被测信号调制成 10K 的交流信号，交流放大（AD620），通过带通滤波器 MAX275 滤除高次谐波，最后进行相敏检波同时，我还用铁丝网将电路板屏蔽（屏蔽网接地）起来但是，输出信号不稳定，达不到测量精度第一个方案，已被否决，现在请各位高手指点第二方案的问题出在哪里，是否还有其他的方案？ 答： 电桥输出 5 毫伏信号，按理说不算太小 ,直接用仪器放大器，不用交流调制，也应可以以下几点可注意，a. 电源需要很稳，波纹系数要小b.第一级放大不要太大，小于 100 吧，然后再加第二级放大c.先把第一级放大后的信号质量搞好，再看后面的电路对于这样的信号，在电路侧信号两端并一个高质(漏电小) 的几 uF 的无极性的电容会有很大好处第一级输出信号可以有些噪声，但不应漂移经过第二级带有低通放大后，噪声就会改善你现在的问题可能发生在第一级 22.电荷放大器的零漂问题 问： 压电加速度传感器一般会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可是在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生，如何解决？我的加速度传感器量程大约在 30000g 左右，被测信号频率在 30kHz 以下；压电传感器和电荷放大器连接后，静态时（传感器未受冲击）电荷放大器的归零非常好，当传感器受到冲击后会产生零漂，按您说的调节反馈电阻的方法有一些作用，我想知道调节反馈电阻这种方法有没有定量的推导？ 答： (1) 有几种几种可能性会导致零漂：a、反馈电容 ESR 特性不好，随电荷量的变化而变化。

b、反馈电容两端未并上电阻，为了放大器的工作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上方亏电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点c、可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂 (2) 不知道你所说的不归零是怎样一个具体的情况，你的输入信号的频率多高？静态时能归零吗？也许你应该把示波器观察到的波形贴上来才好分析电荷灵敏放大器跨接在放大器两端的电容准确叫法是“积分电容” 而不是“ 反馈电容”，它的 ESR 并不会随着电荷的多少而发生显著的改变毫无疑问，积分电容上的电荷应该有泄放通道，通常简单起见可以并联一个高阻值的电阻，但会恶化噪声特性发生不归零，可能的情况可以是： a、输入信号频率太高，造成积分器电荷堆积，因为积分器放电需要一定时间尝试降低输入信号频率试一下看能否改善，如果是这个原因，可以降低反馈电阻的值应该能改善 b、积分器的静态偏置有问题，比如没有考虑失调电流 Ioffset，失调电压 Voffset 的影响可以接上传感器但是使传感器处于无信号输出状态，观察放大器输出是否归零不归零还可能 (3) 对于电荷放大器输出电压不归零。