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运算放大器设计与应用.pdf
运算放大器设计及应用
--电子工程师必备手册（下）
电子工程专辑—为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析最新工业和科技趋势
运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)
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
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运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)
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：
当
时， 的模最大，且|
| = 1/3 ，φF＝0；当 f 大于 f0 时，|
|都减小，且 φF≠0 。
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
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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)
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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。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 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
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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<0.1nA（全工作温度范围内）和高
带宽的产品，以保证零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
（+/-12V~15V 双电源供电），OPA655（+/-5V 双电源供电）。
5. 紫外线传感器输出的电流放大问题
问：
传感器输出的电流大概是几十 nA 左右，但小弟在前面的放大问题上就碰到问题了，特向高手们请教芯片应该
怎样选择，电路应该怎样设计才更好，先谢谢了。
答：
(1) 你可选用 FET 输入级的 OP 如 LF356A；LF351 连接成倒相型 OP 电路；反馈电阻 100M 欧姆在 10V 输
出时相当于 100nA/1V 输出时相当于 10nA,你的传感器就是输入端的串联电阻；反馈电阻可以不并电容，有
屏蔽即可稳定工作。
(2) 选输入阻抗大的，温漂小的运放如 AD8551。注意输入信号的屏蔽，可用屏蔽线或双绞线。可以将运放的
输入脚在印板的上方与输入线连接（不要在印板上走线）。这么小信号，你的传感器的温漂会影响很大。
(3) 你的信号刚好允许《在无离子污染的》PCB 上走线，用 129 成本稍高，LF351 是较经济的，他的 Ib 小于
0。01nA 刚好合你使用！
6. 关于单电源运放应用
问：
如果输入信号以系统地为参考，必须加电容耦合吗?我实际测试，无论是正，反相输入，运算都不工作。不理
解。
答：
(1) 电容耦合是隔离直流分量的，不工作可能是没有静态工作点造成的。
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(2) 这个问题我正好遇到过，我是这样理解的：
a、一般地，噪声电压与参考电压成正比，噪声则随参考电流的增加而减小，因此，降低噪声的有效途径是采
用外部噪声滤波器，对电压参考进行滤波以获得低噪声性能。
b、交流信号放大电路或音频放大电路中，也可采用电源偏置电路，将静态直流输出电压降为电源电压的一半，
基于单电源工作，但输入和输出信号都需要加交流耦合电容。
c、采用单电源供电是要付出一定代价，一些输出参数势必会变差，可能出现失真或饱和。因此需要酌情考虑。
以上供你参考。
(3) 一般运放以双电源工作时是以（（V+）+（V-））/2=0V 作为参考电压的，运放工作在中间的线性区。运放
若以单电源供电，仍应当将电压参考点设置在（（V+）- 0V）/2=（V+）/2 处。若是反相放大器，应当将同相
输入端的参考电压设为 V+/2，反相输入端的输入信号也应当以 V+/2 作为参考点。当输入信号接近 0V 或 V+
时，会使运放工作在非线性区，放大器输出会出现饱和失真或截止失真。
7. 如何测试运放的驱动能力？
问：
根据我现有的设备，示波器的探头 R=10M ohm,C=15pf,实际上我们设计的运放的驱动能力最大才 1Mohm,
5pf，用现有的示波器发现很难测试。不知道一般有些什么方法。谢谢!
答：
要解决这个问题比较简单，根据信号带宽和噪声要求，你可以在示波器探头和运放输出端之间加入一个放大
器就可以了，你只要选择好正确的放大器来完成这个中间级放大器。
7．请教小信号放大问题
问：
我现在遇到一个信号放大问题，具体信号如下：
没有信号时是 7mv 的直流电压，有信号时是 7mv 为 0，12mv 为 1 的方波（100k，20%占空比，上升下降沿
小于 0.3us)，输出阻抗 3k。
我想放大成 ttl 电平，请问如何搭建电路？用什么运放？
我原来用的是 sgm8052 和 8552，采用反向放大，单电源。但是不行。因此我想请教一下，应该采用什么运
放？什么电路。最好能够有一个电路图，谢谢了。
答：
解决这个问题有两种方法：
a、用交流耦合放大器提取出+5mv 的方波，然后进行限幅放大器放大，即可得到没有相位移动的 TTL 方波信
号。b、用交流耦合放大器提取出+5mv 的方波，并放大到一定信数，然后用比较器去完成方波信号到 TTL 方
波信号的变换。
8．用单电源做高低通滤波器
问：
双电源做高低通滤波器，那是一点问题都没，但要在单电源中做好好像不是很好，曲线老是不好，有高手可
以帮忙吗？
答：
(1) 单电源供电作有源滤波器的确很麻烦，关键问题是一个滤波器往往不只一节，各节的直流工作点很难协调。
双电源就无此问题。但是，有些情况下也是可以解决的，从末极开始，工作点取在 1/2 电源电压处，往前推，
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