原標(biāo)題：成就電子電路設(shè)計(jì)高手(六)，運(yùn)算放大器電子電路設(shè)計(jì)

成就電子電路設(shè)計(jì)高手（六）：運(yùn)算放大器電子電路設(shè)計(jì)

一、運(yùn)算放大器概述

運(yùn)算放大器（Operational Amplifier，簡(jiǎn)稱OP、OPA、OPAMP、運(yùn)放）是一種具有極高放大倍數(shù)的電子電路單元。它通常用于信號(hào)的放大、濾波、比較、運(yùn)算等多種功能。運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是輸入阻抗高、輸出阻抗低、開環(huán)增益大，這些特性使得它在電子電路設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

二、運(yùn)算放大器的基本組成

運(yùn)算放大器主要由輸入級(jí)、中間放大級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路等四部分組成：

1. 輸入級(jí)：

• 運(yùn)算放大器的輸入級(jí)通常是差分放大電路，用于抑制共模干擾和溫漂。

• 差分放大電路由一對(duì)非常匹配的晶體管（或場(chǎng)效應(yīng)管）組成，通過恒流源電路實(shí)現(xiàn)偏置。

2. 中間放大級(jí)：

• 中間放大級(jí)采用共射或共源電路，用于增加電壓放大倍數(shù)。

• 通常采用恒流源負(fù)載和復(fù)合管結(jié)構(gòu)，以提高電路的性能。

3. 輸出級(jí)：

• 輸出級(jí)采用互補(bǔ)輸出形式，以提高負(fù)載能力和增大輸出電壓和電流的動(dòng)態(tài)范圍。

• 二只輸出管輪流導(dǎo)通，每管工作在乙類狀態(tài)。為消除交越失真，通常會(huì)給輸出管提供適當(dāng)?shù)钠秒娏?，讓其工作在甲乙類狀態(tài)。

4. 偏置電路：

• 運(yùn)算放大器的偏置電路與分立放大電路的偏置電路設(shè)計(jì)有很大不同，主要由各種形式的恒流源電路實(shí)現(xiàn)。

三、運(yùn)算放大器的工作原理

運(yùn)算放大器的工作原理基于“虛短”和“虛斷”兩大重要原則：

1. 虛短：

• 運(yùn)算放大器的正輸入端和負(fù)輸入端的電壓差幾乎為零，即V+=V?。

2. 虛斷：

• 流入運(yùn)算放大器正輸入端和負(fù)輸入端的電流幾乎為零，即I+=I?=0。

基于這兩個(gè)原則，運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的信號(hào)處理功能。

四、運(yùn)算放大器的典型應(yīng)用

運(yùn)算放大器在電子電路設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用，以下是一些典型的應(yīng)用：

1. 反相放大器：

• 反相放大器是一種將輸入信號(hào)反相放大的電路。

• 增益由反饋電阻和輸入電阻的比值決定，即Av=?RiRf。

2. 同相放大器：

• 同相放大器是一種將輸入信號(hào)同相放大的電路。

• 增益由反饋電阻和輸入電阻的比值決定，即Av=1+RiRf。

3. 電壓跟隨器：

• 電壓跟隨器是一種具有極高輸入阻抗和極低輸出阻抗的電路。

• 它通常用于信號(hào)的緩沖和隔離。

4. 加法器：

• 加法器是一種將多個(gè)輸入信號(hào)相加并輸出的電路。

• 通過適當(dāng)?shù)碾娮杈W(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的加權(quán)求和。

5. 積分器和微分器：

• 積分器是一種將輸入信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算的電路。

• 微分器是一種將輸入信號(hào)進(jìn)行微分運(yùn)算的電路。

• 它們通常用于信號(hào)的濾波和波形變換。

6. 有源濾波器：

• 有源濾波器是一種利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的濾波器。

• 它具有體積小、重量輕、功耗低、頻率響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。

五、運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟

1. 確定電路功能：

• 根據(jù)應(yīng)用需求確定運(yùn)算放大器電路的功能，如放大、濾波、比較等。

2. 選擇運(yùn)算放大器：

• 根據(jù)電路功能和性能要求選擇合適的運(yùn)算放大器型號(hào)。

• 需要考慮運(yùn)算放大器的增益帶寬積、壓擺率、輸入阻抗、輸出阻抗等參數(shù)。

3. 設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)：

• 根據(jù)電路功能選擇合適的電路結(jié)構(gòu)，如反相放大器、同相放大器、加法器等。

• 確定電阻、電容等元件的參數(shù)。

4. 仿真和調(diào)試：

• 使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具對(duì)電路進(jìn)行仿真分析。

• 根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整電路參數(shù)，優(yōu)化電路性能。

• 在實(shí)際硬件上進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，確保電路滿足設(shè)計(jì)要求。

六、運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

1. 輸入和輸出范圍：

• 運(yùn)算放大器的輸入和輸出范圍受到電源電壓的限制。

• 在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要確保輸入信號(hào)和輸出信號(hào)在允許范圍內(nèi)。

2. 穩(wěn)定性和反饋：

• 運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性和反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

• 需要合理設(shè)計(jì)反饋網(wǎng)絡(luò)，避免產(chǎn)生自激振蕩。

3. 噪聲和干擾：

• 運(yùn)算放大器的輸入級(jí)通常具有較高的噪聲水平。

• 在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要采取措施降低噪聲和干擾的影響。

4. 電源和地：

• 運(yùn)算放大器的電源和地連接需要穩(wěn)定可靠。

• 需要采取措施防止電源波動(dòng)和地回路干擾。

七、總結(jié)

運(yùn)算放大器是電子電路設(shè)計(jì)中的重要元件之一，它具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。掌握運(yùn)算放大器的基本原理、典型應(yīng)用和電路設(shè)計(jì)方法，是成為電子電路設(shè)計(jì)高手的必備技能之一。通過不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，可以不斷提高運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)的水平和能力。