-基于集成运放的放大电路设计

物理与电子电气工程学院基于集成运放的放大电路设计1.1运算放大器的模型

运算放大器构成信号的产生、信号的变换、信号处理等各种各样功能，已成为构成模拟系统的基本单元。

运算放大器由多级基本放大电路直接耦合组成，增益高。通常由高阻输入级、中间放大级、低阻输出级和偏置电路组成。运放与外部电路连接构成功能电路时，无需关心其内部电路，而着重研究其外特性。简化模型有理想运算放大器模型和实际运算放大器模型。1.理想运算放大器的模型

（1）开环电压增益AVO＝∞；（2）输入电阻ri=∞

；（3）输出电阻ro=0；（4）频带宽度△f=∞；上限截止频率fH=∞;（5）共模拟制比KCMR=∞；（6）失调漂移(电压、电流)、内部噪声均为0。从理想运算放大器的这些条件可以导出理想运放线性运用时具有的2个重要特性：1)ri=∞

iN=iP=0；2)AVO＝∞

vN=vP;理想运放的前三条特性，通用运放一般可以近似满足。理想运放的后三条特性，通用运放不易达到，可选用专用运放来近似满足。2.实际运算放大器的模型

（1）差分输入电阻ri；（2）电压增益AVO；（3）输出电阻rO；（4）差分输入电压vid=vP-vN。741运算放大器的ri=2MΩ，AVO=200V/mV，ro=75Ω。例：要维持vo=6V对于741运放：vid=vo/200000=30uV对于OP77运放：

vid=vo/(12*10^6)=0.5uV1.比例放大器Avf=vo/vi=-R2/R11.2用集成运放构成的典型放大电路2.同相放大器3.加法电路

加法电路的应用——D/A转换器双极性输出

D/A转换器单极性和双极性输出工作波形

4.基本差动放大电路（1）差模信号和共模信号

很多传感器的输出信号既有差模信号，又有共模信号。

VDIFF表示差模电压，它是有用信号。VCM表示共模电压，它携带的信号对测量没有用处，且会降低测量精度。

对于这种信号一般采用差分放大电路进行放大。（2）基本差分放大电路的原理当Rf=RF，R1=R2

时，（3）专用差分放大器-IN132在实际使用中，差分放大电路的电阻参数很难完全匹配，导致共模抑制能力下降，这时可采用专用差分放大器。5.仪表放大器

基本差分电路虽然可以达到放大差模信号，抑制共模信号的目的，但存在输入电阻较低、增益调节不便的缺点。采用IN132构成的仪表放大器

5.仪表放大器

单片集成仪表放大器——AD620

只需一只外接电阻来调节增益；G=100时，带宽120kHz。供电电源±2.3V~±18V；5.仪表放大器

AD620

应用——数据采集系统5.仪表放大器

AD620

应用——精密V/I变换5.仪表放大器

AD620应用——心电（EGC）检测仪6.反相交流放大器

C1=1000/2πf0R1（μF）C2=1000/2πf0RL（μF）单电源供电交流放大器

6.同相交流放大器

1.3集成运放的主要参数

1.输入偏置电流和输入失调电流

同相输入端吸收的电流用IP表示，反相输入端吸收的电流用IN表示将IP和IN的差称为输入失调电流IOS=IP-IN分析：输入偏置电流和失调电流对放大电路的影响输入偏置电流和失调电流对放大电路的影响令得措施：缩小所有的电阻；选择一款具有更低IOS值的运算放大器2.输入失调电压

将同相输入端和反相输入端短接，对于实际运算放大器来说，由于输入级电路参数的固有失配，其输出电压vo≠0。VOS对电阻反馈运算放大器电路的影响

输出失调电压的补偿3.开环带宽BW和单位增益带宽GBW

开环电压增益从开环直流增益A0下降3dB时所对应的频宽称为开环带宽BW

从开环直流增益到0dB时所对应的频宽称为单位增益带宽GBW。741运放的典型值fb=5Hz，ft=200000×5=1MHz。

例：用运算放大器741设计一个增益为60dB的音频放大器，要求带宽fB≥20kHz。

放大电路增益与带宽的关系

fB：放大器带宽；AF：放大器增益

4．转换速率（SlewingRate，SR）

转换速率也称压摆率，其定义是运放在额定负载及输入阶跃大信号时输出电压的最大变化率。

当放大器输出大振幅的高频信号时，转换速率对实际的带宽起到主要的约束。

fp（max）=SR/（2πVo（max））4．转换速率（SlewingRate，SR）

OPA552的单位增益带宽GBW为12MHz，SR为24V/μS，用其构成放大倍数为5的反相放大器，其小信号带宽为12MHz/5=2.4MHz，当输出信号的峰-峰值为10V时，其fp（max）=SR/（2πVo（max））=764（kHz）正确使用集成运算放大器（1）正确理解运放性能参数最重要的三个参数：供电电源，带宽，输出电流（1）JFET输入运算放大器——TL082

TL082是低成本、高速、双JFET输入运算放大器，适用于高速积分电路、D/A转换电路、采样保持电路以及低输入失调电压、低输入偏置失调电流、高输入阻抗等应用场合。（1）JFET输入运算放大器——TL082符号参

数测试条件最小典型最大单位VOS输入失调电压Rs=10kΩ，TA=25℃515mVIOS输入失调电流TJ=25℃25200pAIB输入偏置电流TJ=25℃504000pAVCM输入共模电压范围VS=±15V±11-12~+15VRIN输入电阻TJ=25℃1012ΩVOM最大输出电压摆幅VS=±15V，RL=10kΩ±12±13.5VSR压摆率VS=±15V，TA=25℃813V/μsGBW单位增益带宽VS=±15V，TA=25℃4MHz（2）超低失调电压运算放大器OP07

OP07具有非常低的失调电压、非常低的偏置电流和很高的开环增益。OP07具有很宽的电源电压范围±3V~±15V。符号参

数测试条件最小典型

最大单位VOS输入失调电压VS=±15V，TA=25℃3075μVIOS输入失调电流TA=25℃0.42.8nAIB输入偏置电流TA=25℃±1.0±3.0nAVCM输入共模电压范围VS=±15V±11-12~+15VRIN输入电阻TJ=25℃2060MΩIVR输入电压范围±13±14VCMRR共模抑制比VCM=±13V110126dBVOM最大输出电压摆幅VS=±15V，RL=10kΩ±12.5±13VSR压摆率VS=±15V，TA=25℃0.10.3V/μsGBW单位增益带宽VS=±15V，TA=25℃0.40.6MHz（2）超低失调电压运算放大器OP07

（3）低成本、轨对轨输出、单电源供电高速运算放大器MAX4016符号参

数测试条件最小典型最大单位VOS输入失调电压VS=±15V，TA=25℃420mVIOS输入失调电流TA=25℃0.120μAIB输入偏置电流TA=25℃5.420μARIN输入电阻差分模式-1V≤VIN≤+1V70kΩ共模模式-0.2V≤VCM≤+2.75V3MΩCMRR共模抑制比VEE-0.2V≤VCM≤VCC-2.25V70100dBVOM最大输出电压摆幅RL=150ΩVCC-VOH0.3VVOL-VEE0.3SR压摆率VOUT=2V阶跃600V/μsGBW单位增益带宽VOUT=20mVP-P150MHz（4）高电压、低失真电流反馈运算放大器——THS3092符号参

数测试条件最小典型最大单位小信号带宽G=2，RF=1.21kΩ，VO=200mVPP210MHz大信号带宽G=5，RF=1kΩ，VO=4VPP135MHzSR压摆率G=5，

VO=20V阶跃，RF=1kΩ，7300V/μsVOS输入失调电压VCM=0V4mVIOS输入失调电流VCM=0V20μAIB输入偏置电流VCM=0V20μARIN输入电阻1.3MΩCMRR共模抑制比65dBVOM最大输出电压摆幅RL=100Ω±11.8V正确使用集成运算放大器（2）输入保护电路正确使用集成运算放大器（3）供电电源的去