使用单电源的运放交流放大电路(含同相和反相输入式)
使用单电源的运放交流放大电路
在采用电容耦合的交流放大电路中，静态时，当集成运放输出端的直流电压不为零时，由于输出耦合电容的隔直流作用，放大电路输出的电压仍为零。所以不需要集成运放满足零输入时零输出的要求。因此，集成运放可以采用单电源供电，其-VEE端接"地"(即直流电源负极)，集成运放的+Vcc端接直流电源正极，这时，运放输出端的电压V0只能在0～+Vcc之间变化。在单电源供电的运放交流放大电路中，为了不使放大后的交流信号产生失真，静态时，一般要将运放输出端的电压V0设置在0至+Vcc值的中间，即V0=+Vcc／2。这样能够得到较大的动态范围；动态时，V0在+Vcc／2值的基础上，上增至接近+Vcc 值，下降至接近0V，输出电压uo的幅值近似为Vcc／2。图3请见原稿
1．2．1 单电源同相输入式交流放大电路
图3是使用单电源的同相输入式交流放大电路。电源Vcc通过R1和R2分压，使运放同相输入端电位由于C隔直流，使RF引入直流全负反馈。所以，静态时运放输出端的电压V0=V-≈V+=+Vcc／2；C通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压串联负反馈。放大电路的电压增益为
放大电路的输入电阻Ri=R1／R2／rif≈R1／R2，
放大电路的输出电阻R0=r0f≈0。
1．2．2 单电源反相输入式交流放大电路
图4是使用单电源的反相输入式交流放大电路。电源V cc通过R1和R
2分压，使运放同相输入端电位为了避免电源的纹
波电压对V+电位的干扰，可以在R2两端并联滤波电容C3，消除谐振；由于C1隔直流，使RF引入直流全负反馈。所以，静态时，运放输出端的电压V0=V-
≈V+=+Vcc／2；C1通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压并联负反馈。
放大电路的电压增益为放大电路的输入电阻Ri≈R，放大电路的输出电阻R0=r0f≈0。
2 运放交流放大电路的设计
在设计单级运放交流放大电路时，
(1)选择能够满足使用要求的集成运算放大器。在采用电容耦合的交流放大电路中，由于电容隔直流，交流放大电路输出的温度漂移电压很小。因此，对集成运放漂移性能的要求可以降低，主要从转换速率、增益带宽、噪声等方面来考虑选用集成运放。对脉冲信号、宽频带交流信号和视频信号等，应选用转换速率较高、增益带宽至少是最高工作频率10倍的集成运放。对音质要求比较高的音频交流放大电路中常采用高速低噪声的集成运放，如双运放的4558、NE5532等。
(2)确定采用双电源供电还是单电源供电。在使用条件许可的情况下，运放交流放大电路尽量采用双电源供电方式，以增大线性动态范围。当集成运放双电源使用时，正、负电源电压一般要对称。且电源电压不要超过使用极限，电源滤波要好。为了消除电源内阻引起的低频自激，常常在正、负电源接线与地之间
单电源运算放大器应用集锦 (一)：基础知识 我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是这些应用都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。 在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1．1 电源供电和单电源供电 所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC－，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。 绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V 也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。 单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC －引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom 之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh 和Vol 。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。(参见1.3节) 图一 通常单电源供电的电压一般是5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是3V 也或者会更低。出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail－To－Rail 的运放，这样就消除了丢失的动态范围。需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail－To－Rail 的电压。虽然器件被指明是轨至轨(Rail－To－Rail)的，如果运放的输出或者输入不支持轨至轨，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是轨至轨。这样才能保证系统的功能不会退化，这是设计者的义务。
单电源运放与滤波电路 我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是他们都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1．1电源供电和单电源供电 所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC－，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。 绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。 单电源供电的电路（图一中右）运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC－引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh和Vol。需要
特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。（参见1.3节） 图一 通常单电源供电的电压一般是5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是3V也或者会更低。出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail－To－Rail的运放，这样就消除了丢失的动态范围。需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail－To－Rail的电压。虽然器件被指明是Rail－To－Rail的，如果运放的输出或者输入不支持Rail－To－Rail，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是Rail－To－Rail。这样才能保证系统的功能不会退化，这是设计者的义务。 1.2虚地 单电源工作的运放需要外部提供一个虚地，通常情况下，这个电压是VCC/2，图二 的电路可以用来产生VCC/2的电压，但是他会降低系统的低频特性。
运放双电源供电改为单电源供电及其之间的区别 大部分运算放大器要求双电源(正负电源)供电，只有少部分运算放大器可以在单电源供电状态下工作，如LM358(双运放)、LM324(四运放)、CA3140(单运放)等。需要说明的是，单电源供电的运算放大器不仅可以在单电源条件下工作，也可在双电源供电状态下工作。例如，LM324可以在、+5～+12V单电源供电状态下工作，也可以在+5～±12V双电源供电状态下工作。 在一些交流信号放大电路中，也可以采用电源偏置电路，将静态直流输出电压降为电源电压的一半，采用单电源工作，但输入和输出信号都需要加交流耦合电容，利用单电源供电的反相放大器如图1(a)所示，其运放输出波形如图1(b)所示。 该电路的增益Avf＝－RF／R1。R2＝R3时，静态直流电压Vo(DC)＝1／ 2Vcc。耦合电容Cl和C2的值由所需的低频响应和电路的输入阻抗(对于C1)或负载(对于C2)来确定。Cl及C2可由下式来确定：C1＝1000／2πfoRl(μF)；C2＝1000／2πfoRL(μF)，式中，fo是所要求最低输入频率。若R1、RL单位用kΩ，fO用Hz，则求得的C1、C2单位为μF。一般来说，R2＝R3≈2RF。
图2是一种单电源加法运算放大器。该电路输出电压Vo＝一RF(V1／Rl 十V2／R2十V3／R3)，若R1＝R2＝R3＝RF，则Vo＝一(V1十V2十V3)。需要说明的是,采用单电源供电是要付出一定代价的。它是个甲类放大器，在无信号输入时，损耗较大。 思考题(1)图3是一种增益为10、输入阻抗为10kΩ、低频响应近似为30Hz、驱动负载为1kΩ的单电源反相放大器电路。该电路的不失真输入电压的峰—峰值是多少呢?(提示：一般运算放大器的典型输入、输出特性如图4 所示)；(2)图5是单电源差分放大器。若输入电压为50Hz交流电压，V1＝1V，V2＝O．4V，它的输出电压该是多少呢？
运算放大器基本电路大全 运算放大器电路大全 我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是这些应用都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。 在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1．1 电源供电和单电源供电 所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC －，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。 绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。 单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC－引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom 之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh 和Vol 。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。(参见1.3节) 图一
一．差分信号的特点： 图1 差分信号 1.差分信号是一对幅度相同，相位相反的信号。差分信号会以一个共模信号 V ocm 为中心，如图1所示。差分信号包含差模信号和公模信号两个部分， 差模与公模的定义分别为：Vdiff=(V out+-V out- )/2，Vocm=(V out+ +V out- )/2。 2.差分信号的摆幅是单端信号的两倍。如图1，绿色表示的是单端信号的摆 幅，而蓝色表示的是差分信号的摆幅。所以在同样电源电压供电条件下，使用差分信号增大了系统的动态范围。 3.差分信号可以抑制共模噪声，提高系统的信噪比。In a differential system, keeping the transport wires as close as possible to one another makes the noise coupled into the conductors appear as a common-mode voltage. Noise that is common to the power supplies will also appear as a common-mode voltage. Since the differential amplifier rejects common-mode voltages, the system is more immune to external noise. 4.差分信号可以抑制偶次谐波，提高系统的总谐波失真性能。 Differential systems provide increased immunity to external noise, reduced even-order harmonics, and twice the dynamic range when compared to signal-ended system. 二．分析差分放大器电路 图2.差分放大器电路分析图
集成运放组成的有源滤波电路 有源滤波电路 1．低通滤波电路 1）同相输入一阶低通电路（康P416页，图9.2.1（a ）） 2）反相输入一阶低通电路 3）同相输入二阶低通电路 o v i SRC A SRC R R S V S V S A f i +=++==111)()()(010SRC A SRC R R S V S V S A f i +=+-==11)()()(010 o v i 13)(13)(1)()()( 20210++=+++==SRC SRC A SRC SRC R R S V S V S A f i o v i
4）同相输入二阶低通电路（压控电压源二阶LPF ）（康P418页，图9.3.1） 5）反相输入二阶低通电路 6）反相输入二阶滤波电路（无限增益多路反馈二阶低通滤波电路） o v i 1)3()(1)3()(1)()()(0200210+-+=+-++==sRC A sRC A sRC A sRC R R S V S V s A f i o v i o v i 1)111(1)111()()()(2122212202122212210++++=++++-==f f f f f f f i R R R R C sR C C R R s A R R R R C sR C C R R s R S V S V s A
2．高通滤波电路 1）同相输入一阶高通电路 2）反相输入一阶高通电路（康P472页，图题9.3.4） 3 4）同相输入二阶低通电路（压控电压源二阶LPF ）（康P424页，图9.3.7） C SR C SR S V S V S A f i 101)()()(+-==o v i o v i o v i 。 o v i 。
滤波电路 这节非常深入地介绍了用运放组成的有源滤波器。在很多情况中，为了阻挡由于虚地引起的直流电平，在运放的输入端串入了电容。这个电容实际上是一个高通滤波器，在某种意义上说，像这样的单电源运放电路都有这样的电容。设计者必须确定这个电容的容量必须要比电路中的其他电容器的容量大100 倍以上。这样才可以保证电路的幅频特性不会受到这个输入电容的影响。如果这个滤波器同时还有放大作用，这个电容的容量最好是电路中其他电容容量的1000 倍以上。如果输入的信号早就包含了VCC/2 的直流偏置，这个电容就可以省略。 这些电路的输出都包含了VCC/2 的直流偏置，如果电路是最后一级，那么就必须串入输出电容。 这里有一个有关滤波器设计的协定，这里的滤波器均采用单电源供电的运放组成。滤波器的实现很简单，但是以下几点设计者必须注意： 1. 滤波器的拐点(中心)频率 2. 滤波器电路的增益 3. 带通滤波器和带阻滤波器的的Q值 4. 低通和高通滤波器的类型(Butterworth 、Chebyshev、Bessell) 不幸的是要得到一个完全理想的滤波器是无法用一个运放组成的。即使可能，由于各个元件之间的负杂互感而导致设计者要用非常复杂的计算才能完成滤波器的设计。通常对波形的控制要求越复杂就意味者需要更多的运放，这将根据设计者可以接受的最大畸变来决定。或者可以通过几次实验而最终确定下
来。如果设计者希望用最少的元件来实现滤波器，那么就别无选择，只能使用传统的滤波器，通过计算就可以得到了。 3．1 一阶滤波器 一阶滤波器是最简单的电路，他们有20dB 每倍频的幅频特性 3．1．1 低通滤波器 典型的低通滤波器如图十三所示。
单电源运放图集 前言 前段时间去福州出差，看到TI的《A Single-Supply Op-Amp Circuit Collection》这篇文章，觉得不错，就把它翻译了过来，希望能对大家有点用处。这篇文章没有介绍过多的理论知识，想要深究的话还得找其他的文章，比如象这里提到过的《Op Amps for Everyone》。我的E文不好，在这里要感谢《金山词霸》。 ^_^ 水平有限（不是客气，呵呵），如果你发现什么问题请一定指出，先谢谢大家了。 E－mail：wz_carbon@https://www.doczj.com/doc/0c12670929.html, 王桢 10月29日
介绍 我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是他们都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。 在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1． 1电源供电和单电源供电 所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC －，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。 绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限V om以及最大输出摆幅。 单电源供电的电路（图一中右）运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC－引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在V om之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明V oh和V ol。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。（参见1.3节） 图一 通常单电源供电的电压一般是5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是3V也或者会更低。出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail－To－Rail的运放，这样就消除了丢失的动态范围。需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail－To－Rail的电压。虽然器件被指明是Rail－To －Rail的，如果运放的输出或者输入不支持Rail－To－Rail，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是Rail－To－Rail。这样才能保证系统的功能不会退化，这是设计者的义务。1. 2虚地
运算放大器单电源供基本电路大全 我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是这些应用都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。 在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1．1 电源供电和单电源供电 所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC－，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。 绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。 单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC－引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom 之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh 和Vol 。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。(参见1.3节) 图一
运算放大器（op-amp）简称运放以其优异的性能价格比，高集成度、可靠性，几乎任何需要添加信号增益、调理功能的电子系统都可应用运算放大器。经历几十年的发展，虽然现在已有单电源型运放产品（如AD875x系列），但有些场合仍希望将双电源型运放改为单电源下工作。这一点是可以实现的，只是需要在输入端加信号基准电平提升电路，输出端的静态电平也不再为零，因此由双电源改用单电源接法后更适合放大交流信号。 1运算放大器种类 一般来说，对于高阻抗信号源的应用电路、采样—保持电路、带通滤波器等应选用高输入阻抗型运放（如LF156）。对弱信号精密测量、高增益交流放大器、汽车电子及工业控制系统等应选用高精度运放（如OPA379 ）。对于快速变化的输入信号系统、A/D和D/A转换器、通讯和视频系统等应选用高速运放（如AD827 ）。对于袖珍仪器、手机等以电池供电的便携式电子产品宜选用低电压/低功耗运放（如EL2071C）。对于无特殊要求的场合可采用通用型运放（如uA741）。 2 运放参数的确定 运放参数种类繁多，在考虑性价比的基础上选用最合适的运放是设计者要考虑的问题。可优先考虑以下几个参数： 带宽BW对小信号而言，运放闭环带宽与闭环增益的乘积存在“增益带宽积”不变的关系，其乘积等于单位增益带宽；对大功率信号而言，一般比单位增益带宽小约100倍；运放一3dB闭环带宽应高于信号的最高工作频率。 优值系数，转换速率SR大则运放交流特性佳上限频率高，如高速运放一般
SR>10V/μs;输入偏流（inputbi asicu rrent）I（BS）失调电压（input ofset voltage）Vos越小则运放直流特J性越好。
单电源运算放大器电路应用图集(三)：滤波电路(上) 这节非常深入地介绍了用运放组成的有源滤波器。在很多情况中，为了阻挡由于虚地引起的直流电平，在运放的输入端串入了电容。这个电容实际上是一个高通滤波器，在某种意义上说，像这样的单电源运放电路都有这样的电容。设计者必须确定这个电容的容量必须要比电路中的其他电容器的容量大100 倍以上。这样才可以保证电路的幅频特性不会受到这个输入电容的影响。如果这个滤波器同时还有放大作用，这个电容的容量最好是电路中其他电容容量的1000 倍以上。如果输入的信号早就包含了VCC/2 的直流偏置，这个电容就可以省略。 这些电路的输出都包含了VCC/2 的直流偏置，如果电路是最后一级，那么就必须串入输出电容。 这里有一个有关滤波器设计的协定，这里的滤波器均采用单电源供电的运放组成。滤波器的实现很简单，但是以下几点设计者必须注意： 1. 滤波器的拐点(中心)频率 2. 滤波器电路的增益 3. 带通滤波器和带阻滤波器的的Q值 4. 低通和高通滤波器的类型(Butterworth 、Chebyshev、Bessell) 不幸的是要得到一个完全理想的滤波器是无法用一个运放组成的。即使可能，由于各个元件之间的负杂互感而导致设计者要用非常复杂的计算才能完成滤波器的设计。通常对波形的控制要求越复杂就意味者需要更多的运放，这将根据设计者可以接受的最大畸变来决定。或者可以通过几次实验而最终确定下来。如果设计者希望用最少的元件来实现滤波器，那么就别无选择，只能使用传统的滤波器，通过计算就可以得到了。 3．1 一阶滤波器 一阶滤波器是最简单的电路，他们有20dB 每倍频的幅频特性 3．1．1 低通滤波器 典型的低通滤波器如图十三所示。
单电源运算放大器的设计考虑 2007-07-10 11:10:37 来源：Maxim Integrated Products 关键字：Maxim Integrated Products 运算放大器MAX4122 通常，单电源工作与低压工作相同，将电源由±15V或±5V变为单5V或3V，缩小了可用信号范围。因此，其共模输入范围、输出电压摆幅、CMRR、噪声及其它运算放大器的限制变得非常重要。在所有工程设计中，常常需要牺牲系统在某方面的性能，以改善另一方面的性能。下面关于单电源运算放大器指标的折中讨论也说明了这些低压放大器与传统高压产品的不同。 输入级考虑 输入共模电压范围是设计人员在确定单电源运算放大器时应该考虑的首要问题，需要强调的是满摆幅输入能力可以解决这一问题，然而，真正的满摆幅工作又会付出其它代价。 Maxim公司的大多数低压运算放大器能够允许的共模电压输入范围包含负电源电压(表1)，但也只有一部分器件允许扩展到正电源电压。一般情况下，所允许的输入电压只能达到正电源电压的1V或2V以内。允许信号达到负电源电压的运算放大器称为地感应放大器，允许信号达到正、负电源电压的运算放大器称作满摆幅输入放大器。 表1. Maxim的低压运算放大器
V OS和I B的考虑 很多应用中，放大器能够为以地为参考的信号提供+2V/V或更高的增益。这些情况下，地感应放大器足以处理信号的共模范围，对于这种应用，可以获得比满摆幅输入运算放大器更好的性能。典型的满摆幅输入级使用两个差分对输入，而不是一个(图1)。
图1. (a)满摆幅输入级有两个差分对，(b)标准的地感应输入级只有一个差分对。 随着输入信号从一个电源摆幅移向另一个电源摆幅，放大器也从一个输入差分对移向另一个输入差分对。在交越点，这样的移动会引起输入偏置电流和失调电压的改变，影响这些参数的幅值和极性。失调电压的变化通常会降低满摆幅放大器(与地感应放大器相比)的失真性能和精度指标。为了将失调电压的变化减至最小，实现从一个输入差分对到另一个输入差分对的平稳转换，Maxim在其满摆幅放大器共模输入范围的高端和低端都对失调进行了调理。 为减小输入偏置电流引起的失调电压，设计人员应保持运算放大器同相端和反相端的阻抗匹配。因为输入偏置电流通常比输入失调电流大，所以，不仅对于满摆幅输入放大器，对其它所有放大器来说，阻抗匹配都是一个好的解决办法。 为减小输入偏置电流引起的失调电压，设计人员应保持运算放大器同相端和反相端的阻抗匹配。因为输入偏置电流通常比输入失调电流大，所以，不仅对于满摆幅输入放大器，对其它所有放大器来说，阻抗匹配都是一个好的解决办法。 为说明这一点，图2给出了MAX4122-MAX4129系列运算放大器(输入、输出均可达到满摆幅)的输入偏置电流随共模电压变化的曲线。随着共模输入电压从0V缓慢上升至5V，输入偏置电流绝对变化量为85nA (从-45nA至+40nA)。而技术指标中的输入失调电流仅为±1nA。因此，尽管偏置电流的大小、极性变化很大，但反相和同相输入的曲线图彼此很靠近(输入失调电流)。通过保持同相端和反相端的阻抗匹配，可以将输入偏置电流变化所引起的失调电压降至最小。
运算放大器组成的电路五花八门，令人眼花瞭乱，是模拟电路中学习的重点。在分析它的工作原理时倘没有抓住核心，往往令人头大。特搜罗天下运放电路之应用，来个“庖丁解牛”，希望各位从事电路板维修的同行，看完后有所收获。 遍观所有模拟电子技朮的书籍和课程，在介绍运算放大器电路的时候，无非是先给电路来个定性，比如这是一个同向放大器，然后去推导它的输出与输入的关系，然后得出Vo=(1+Rf)Vi，那是一个反向放大器，然后得出Vo=-Rf*Vi……最后学生往往得出这样一个印象：记住公式就可以了！如果我们将电路稍稍变换一下，他们就找不着北了！偶曾经面试过至少100个以上的大专以上学历的电子专业应聘者，结果能将我给出的运算放大器电路分析得一点不错的没有超过10个人！其它专业毕业的更是可想而知了。今天，芯片级维修教各位战无不胜的两招，这两招在所有运放电路的教材里都写得明白，就是“虚短”和“虚断”，不过要把它运用得出神入化，就要有较深厚的功底了。 虚短和虚断的概念 由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB 以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14V。因此运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。 “虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。 由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。 在分析运放电路工作原理时，首先请各位暂时忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、减法器，什么差动输入……暂时忘掉那些输入输出关系的公式……这些东东只会干扰你，让你更糊涂﹔也请各位暂时不要理会输入偏置电流、共模抑制比、失调电压等电路参数，这是设计者要考虑的事情。我们理解的就是理想放大器（其实在维修中和大多数设计过程中，把实际放大器当做理想放大器来分析也不会有问题）。 好了，让我们抓过两把“板斧”------“虚短”和“虚断”，开始“庖丁解牛”了。
单电源运算放大器的设计考虑 电源系统及时提供和分析有关整流/滤波、线性转换与控制、开关..:: 单电源运算放大器的设计考虑 (2007-07-10) 新日本无线新推双通道J-FET输入运算放大器,具低失调温度漂移 (2007-07-09) 奥地利微电子新推运算放大器,具高输出驱动能力 (2007-07-06) 单电源运放图集(2007-07-06) ST发布运算放大 .powersystems.eetchina./ARTRELATED__8800470798__1.HTM 电源系统及时提供和分析有关整流/滤波、线性转换与控制、开关..:: TI发布零交越运算放大器OPA369,面向便携式应用 (2007-08-31) TI推出单电源运算放大器OPA376,具有e-Trim修整技术和低噪声 (2007-08-14) 建立比较器的外部滞回电压 (2007-08-08) 单电源运算放大器的设计考虑 (2007-07-10) 比较 .powersystems.eetchina./ARTRELATED__8800427705__1.HTM 单电源运算放大器的设计考虑通常，单电源工作与低压工作相同，将电源由±15V或±5V变为单5V 或3V，缩小了可用信号围。因此，其共模输入围、输出电压摆幅、CMRR、噪声及其它运算放大器的限制变得非常重要。在所有工程设计中，常常需要牺牲系统在某方面的性能，以改善另一方面的性能。下面关于单电源运算放大器指标的折中讨论也说明了这些低压放大器与传统高压产品的不同。 输入级考虑 输入共模电压围是设计人员在确定单电源运算放大器时应该考虑的首要问题，需要强调的是满摆幅输入能力可以解决这一问题，然而，真正的满摆幅工作又会付出其它代价。 Maxim公司的大多数低压运算放大器能够允许的共模电压输入围包含负电源电压(表1)，但也只有一部分器件允许扩展到正电源电压。一般情况下，所允许的输入电压只能达到正电源电压的1V或2V以。允许信号达到负电源电压的运算放大器称为地感应放大器，允许信号达到正、负电源电压的运算放大器称作满摆幅输入放大器。 表1. Maxim的低压运算放大器
运算放大器的基本参数 1. 开环电压增益A OL 不带负反馈的状态下，运算放大器对直流信号的放大倍数。电压反馈运算放大器采用电 压输入/电压输出方式工作，其开环增益为无量纲比，所以不需要单位。但是，数值较小时，为方便起见，数据手册会以V/mV或V/ yV代替V/V表示增益，电压增益也可以dB形式表示，换算关系为dB = 20 xiogAVOL。因此，1V/ ^V的开环增益相当于120 dB，以此类推。该参数与频率密切相关，随着频率的增加而减小，相位也会发生偏移。 对于反向比例放大电路，只有当AOL >> R+Rf时，Vo=-Rf/RVi才能够成立。 Frequency (Hz) 2. 单位增益带宽B1 (Gain-Bandwidth Product) 开环电压增益大于等于 1 (OdB )时的那个频率范围，以Hz为单位。它将告诉你将小 信号(?土100mV )送入运放并且不失真的最高频率。在滤波器设计电路中，假定运放滤波器增益为 1V/V，则单位增益带宽大于等于滤波器截止频率f cut-off x 100。 3.共模抑制比CMRR 差分电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，CMRR=|Ad/Ac|。共模输入电压会影响到 输入差分对的偏置点。由于输入电路内部固有的不匹配，偏置点的改变会引起失调电压改变， 进而引起输出电压改变。其实际的计算方法是失调电压变化量比共模电压变化量，一般来说CMRR= △ Vos/ △ Vcom , TI及越来越多的公司将其定义为CMRR= △ Vcom/ △ Vos。在datasheet中该参数一般为直流参数，随着频率的增加而降低。
CCMMDN-MODE REJECTION RATIO vt. FREQUENCY 4. 输入偏置电流Ibias 输入偏置电流被定义为：运放的输入为规定电位时，流入两个输入端的电流平均值。记为IB。为了运放能正常的工作，运放都需要一定的偏置电流。IB=(IN+IP)/2。 当信号源阻抗很高时，就必须关注输入偏流，因为如果运放有很大的输入偏流，就会对信号源构成负载，因而会看到一个比预想要低的信号源输出电压，如果信号源阻抗很高，那 么最好使用一个以CMOS或者JFET作为输入级的运放，也可以采用降低信号源输出阻抗的方法，就是使用一个缓冲器，然后用缓冲器来驱动具有很大输入偏流的运放。 在双级输入级的情况下，可以使用对失调电流进行调零的方法，就是使从两个输入端看到的阻抗相互匹配。在CMOS和JFET输入电路的情况下，一般来说，失调电流不是问题，也没有必要进行阻抗匹配了。 5. 输入失调电流Ios 当运放的输出端置于规定电位时，流入运放两个输入端的电流之差的绝对值。 I OS=|IN-IP| 6. 电源抑制比PSRR 电源电压的改变量与由此引起的输入失调电压改变量之比的绝对值，单位是dB。对于双电源运放，PSSR= △ V cc士/ △ V os士。PSSR随着频率的增加而下降。开关电源产生的噪声频率从50kHz到500kHz或更高，在这些高频下，PSSR的值几乎为零，所以，电源上的 噪声会引起运放输出端上的噪声，对此必须使用恰当的旁路技术。
一、 电路原理分析与计算 1. 反相比例运算电路 输入信号从反相输入端引入的运算，便是反相运算。反馈电阻R F 跨接在输出端和反相输入端之间。根据运算放大器工作在线性区时的虚开路原则可知：i -＝0，因此i 1＝i f 。电路如图1所示， 图1 根据运算放大器工作在线性区时的虚短路原则可知：u -＝u +＝0。 由此可得： 01 f i R u u R =- 因此闭环电压放大倍数为： 1 o f uo i u R A u R = =- 2. 同相比例运算电路 输入信号从同相输入端引入的运算，便是同相运算。电路如图2所示，
图2 根据运算放大器工作在线性区时的分析依据：虚短路和虚开路原则 因此得： 1 (1)f o i R u u R =+ 开环电压放大倍数 1 1o f uf i u R A u R = =+ 3. 反相输入加法运算电路 在反相输入端增加若干输入电路，称为反向输入加法运算电路。电路如图3 所示， 图3 计算公式如下， 12 12 ( )o f u u u R R R =-+ 平衡电阻213////f R R R R =,当13f R R R ==时，输出电压012()u u u =-+ 4. 减法运算电路 减法运算电路如图4所示，输入信号1i u 、2i u 分别加至反相输入端和同相
输入端，这种形式的电路也称为差分运算电路。 图4 输出电压为： 2211231 (1)f f o i i R R R u u u R R R R =+ -+ 当123f R R R R ===时，输出电压21o i i u u u =- 5. 微分运算电路 微分运算电路如图5所示， 图5 电路的输出电压为o u 为： 21 i o du u R C dt =- 式中，21R C 为微分电路的时间常数。若选用集成运放的最大输出电压为OM U ,则21R C 的值必须满足： 21max ()OM i U R C du dt <= 6. 积分运算电路 积分运算电路如图6所示，
干货实图分析运放7大经典电路 运放的基本分析方法：虚断，虚短。对于不熟悉的运放应用电路，就使用该基本分析方法。 运放是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。 1、运放在有源滤波中的应用 上图是典型的有源滤波电路（赛伦-凯电路，是巴特沃兹电路的一种）。有源滤波的好处是可以让大于截止频率的信号更快速的衰减，而且滤波特性对电容、电阻的要求不高。 该电路的设计要点是：在满足合适的截止频率的条件下，尽可能将R233和R230的阻值选一致，C50和C201的容量大小选取一致（两级RC电路的电阻、电容值相等时，叫赛伦凯电路），这样就可以在满足滤波性能的情况下，将器件的种类归一化。其中电阻R280是防止输入悬空，会导致运放输出异常。 滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为 ?巴特沃兹，单调下降，曲线平坦最平滑； 巴特沃兹低通滤波中用的最多的是赛伦凯乐电路，即仿真的该电路。
一个滤波器，要知道其截至频率是多少，或者能写出传递函数和频率响应也可以。 如果该滤波器还有放大功能，要知道该滤波器的增益是多少。 当两级RC电路的电阻、电容值相等时，叫赛伦凯电路，在二阶有源电路中引入一个负反馈，目的是使输出电压在高频率段迅速下降。 二阶有源低通滤波电路的通带放大倍数为 1+Rf/R1 ，与一阶低通滤波电路相同； 截止频率为 注明，m的单位为欧姆， N 的单位为 u
所以计算得出截止频率为 ?切比雪夫，迅速衰减，但通带中有纹波； ?贝塞尔（椭圆），相移与频率成正比，群延时基本是恒定。 2、运放在电压比较器中的应用 电压比较
使用单电源的运放交流放大电路 在采用电容耦合的交流放大电路中，静态时，当集成运放输出端的直流电压不为零时，由于输出耦合电容的隔直流作用，放大电路输出的电压仍为零。所以不需要集成运放满足零输入时零输出的要求。因此，集成运放可以采用单电源供电，其-VEE端接"地"(即直流电源负极)，集成运放的+Vcc端接直流电源正极，这时，运放输出端的电压V0只能在0～+Vcc之间变化。在单电源供电的运放交流放大电路中，为了不使放大后的交流信号产生失真，静态时，一般要将运放输出端的电压V0设置在0至+Vcc值的中间，即V0=+Vcc／2。这样能够得到较大的动态范围；动态时，V0在+Vcc／2值的基础上，上增至接近+Vcc值，下降至接近0V，输出电压uo的幅值近似为Vcc／2。图3请见原稿 1．2．1 单电源同相输入式交流放大电路 图3是使用单电源的同相输入式交流放大电路。电源Vcc通过R1和R2分压，使运放同相输入端电位由于C 隔直流，使RF引入直流全负反馈。所以，静态时运放输出端的电压V0=V-≈V+=+Vcc／2；C通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压串联负反馈。放大电路的电压增益为 放大电路的输入电阻Ri=R1／R2／rif≈R1／R2， 放大电路的输出电阻R0=r0f≈0。 1．2．2 单电源反相输入式交流放大电路 图4是使用单电源的反相输入式交流放大电路。电源V cc通过R1和R 2分压，使运放同相输入端电位 为了避免电源的纹波电压对V+电位的干扰，可以在R2两端并联滤波电容C3，消除谐振；由于C1隔直流，使RF引入直流全负反馈。所以，静态时，运放输出端的电压V0=V-≈V+=+Vcc／2；C1通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压并联负反馈。放大电路的电压增益为
习题九 9-1 集成运放电路与分立元件放大电路相比有哪些突出优点？ 答：集成运放与分立元件放大电路相比有很多优点，其突出优点是： （1）在集成电路中，制造有源器件（晶体三极管、场效应管等）比制造大电阻占用的面积小，且工艺上也不会增加麻烦，因此，集成电路中大量使用有源器件组成的有源负载，以获得大电阻，提高放大电路的放大倍数；将其组成电流源，以获得稳定的偏置电流。所以一般集成运放的放大倍数与分立元件的放大倍数相比大得多。 （2）由于集成电路中所有元件同处于一块硅片上，相互距离非常近，且在同一工艺条件下制造，因此，尽管各元件参数的绝对精度差，但它们的相对精度好，故对称性能好，特别适宜制作对称性要求高的电路，如差动电路、镜像电流源等。 （3）集成运算放大电路中，采用复合管的接法以改进单管性能。 9-2 什么是零点漂移？产生零点漂移的主要原因是什么？差动放大电路为什么能抑制零点漂移？ 答：由于集成运放的级间采用直接耦合方式，各级的静态工作点相互影响，前一级的静态工作点的变化将会影响到后面各级的静态工作点，由于各级的放大作用，第一级的微弱信号变化，经多级放大后在输出端也会产生很大变化。当输入电压为零时，输出电压偏离零值的变化称为“零点漂移”。产生“零点漂移”的原因主要是因为晶体三极管的参数受温度的影响。差动电路是采用两个参数完全对称的电路，两个管子的温度特性也完全对称，所以当输入电压为零时，两个管子集电极电位是相等的，差动电路能够抑制“零点漂移”。 9-3 在A 、B 两个直接耦合放大电路中，A 放大电路的电压放大倍数为100，当温度由20℃变到30℃时，输出电压漂移了2V ；B 放大电路的电压放大倍数为1000，当温度从20℃变到30℃时，输出电压漂移10V 。试问哪一个放大电路的零漂小？为什么？ 答：要判断哪个电路零漂大，一般是将它折合到输入端，由于两个电路温度都是由20℃变到30℃，所以A 电路2V/100=20mV ，B 电路为10V/1000=10mV ，所以B 电路零漂小。 9-4 集成运算放大电路是一种什么电路？由哪几部分构成？各部分电路有什么特点？ 答：集成运放的输入与输出呈线性关系，所以集成运放是线性集成电路。集成运放共由四部分组成：输入级—作用是提供与输出同相和反相关系的两个输入端，要求是温度漂移尽可能小；中间级—主要完成电压放大任务；输出级—向负载提供一定的功率，属于功率放大；偏置电路—向各级提供稳定的静态工作电流。 9-5 何谓差模信号？何谓共模信号？若在差动放大电路的一个输入端上加上信号U i 1=4mV ，而在另一个输入端加入信号U i 2，当U i 2分别为 （1）U i 2=4mV ； （2）U i 2=-4mV ； （3）U i 2=-6mV ； （4）U i 2=6mV ； 时，分别求出上述四种情况的差模信号U id 和共模信号U ic 的数值。 答：所谓差模信号是指在差动放大电路两个输入端分别加入幅度相等而极性相反的信号。共模信号则是在差动放大电路的输入端接入幅度相等、极性相同的信号。 U id =U i 1-U i 2 2 21i i ic U U U += （1）U id =4-4=0 U ic =(4+4)/2=4mV （2）U id =4-(-4)=8mV U ic =(4+(-4)/2=0 （3）U id =4-(-6)=10mV U ic =(4+(-6)/2=-1mV