详解运放七大应用电路设计(附技术要点)

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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。

8 s2 ^$ E  D& N5 {: A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
7 A" W9 W. o" Y
; r+ i3 e4 I6 X. t1 p2 \# i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。
9 o0 F# H/ v6 v" ], ~% s4 _
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。
2 V6 Q) t. n! f3 q7 {1 l* }9 e  E5 K: X
" X0 k4 l: S5 m, B2 b* O+ H1 g8 K: q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。
5 ^. `, s/ C' V3 }0 e  H. u: B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。
6 S* u3 O' f/ l# Y; Q
( b2 u  C% x! {9 r3 a" [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
2 D  g. Q7 d) ^+ F8 P6 D# w: M
注明，m的单位为 欧姆， N 的单位为 u
& L( }3 k  S, O( h6 G& g' P) V所以计算得出 截止频率为

% A6 h) w4 A  @2 w/ j; J& r4 a- r- R切比雪夫 ，迅速衰减，但通带中有纹波；
& P! L7 K: \9 w
( ~6 _; s) K( p1 M贝塞尔（椭圆），相移与频率成正比，群延时基本是恒定。
' }/ M( ^* Q4 X  P& f* J3 I6 r

# K# M: x  V% H8 L2、运放在电压比较器中的应用
) m0 _  f& O8 ^8 V上图是典型信号转换电路，将输入的交流信号，通过比较器LM393，将其转化为同频率的方波信号（存在反相，让软件处理一下就可以），该电路在交流信号测频中广泛使用。

该电路实际上是过零比较器和深度放大电路的结合。

8 l/ j9 |2 R$ u2 E: I9 E$ G将输出进行（1+R292/R273）倍的放大，放大倍数越高，方波的上升边缘越陡峭。

5 W: Q1 K) \  }4 J9 A该电路中还有一个关键器件的阻值要注意，那就是R275，R275决定了方波的上升速度。
6 ~8 _6 E1 ]# P9 l8 m" {
* A, i" O7 R; T- a+ A/ K
3、恒流源电路的设计
如图所示，恒流原理分析过程如下：
  K" n* q) b% r( m( g$ s6 `

U5B（上图中下边的运放）为电压跟随器，故V1=V4;
2 D. F3 M2 N# p+ |* b4 m; W% V
由运算放大器的虚短原理，对于运放U4A（上图中上边的运放）有：V3=V5；
有以上等式组合运算得：
" K- n; \- Q$ h( `

当参考电压Vref固定为1.8V时，电阻R30为3.6,电流恒定输出0.5mA。
8 v0 F+ P$ ]4 Y
& u0 e6 D8 u0 w/ m7 p/ Y6 E该恒流源电路可以设计出其他电流的恒流源，其基本思路就是：所有的电阻都需要采用高精度电阻，且阻值一致，用输入的参考电压（用专门的参考电压芯片）比上阻值，就是获得的输出电流。

但在实际使用中，为了保护恒流源电路，一般会在输出端串一只二极管和一只电阻，这样做的好处第一是防止外界的干扰会进入恒流源电路，导致恒流源电路的损坏，二是可以防止外界负载短路时，不至于对恒流源电路造成损坏。
7 i& t3 u3 }: L) M( m; _( b
, k% O7 ]% W1 F; p) }6 B


0 A+ ^8 T5 f6 t; O2 Y; \4、整流电路中的应用
上述电路是一个整流电路，将输入的一定频率的脉冲整流成固定的电平电压，再用此电压控制4-20mA电流的输出电流。该电路功能类似一些DAC功能的接口。
$ j# g$ P8 }! g& a  ?

- Z" D9 @7 P! P& m- E
( x' }( V/ ~# b( d5、热电阻测量电路

: `0 y' C8 A$ s( |上图的电路是典型的热电阻/电偶的测量电路，其测量思路为：将1-10mA的恒流源加于负载，将会在负载上产生一定的电压，将该电压进行有源滤波处理，处理后在进行信号的调整（信号放大或衰减），最后将信号送入ADC接口。
/ H3 {2 k# E4 p3 z  y

4 G+ u8 S7 s5 K- }! d该电路应用时，要注意在输入端施加保护，可以并TVS，但要注意节电容对测量精度的影响，当然，如果在一些低成本场合，上述电路图可简化为下电路


; o( L' w, O9 S6、电压跟随器
! c7 o7 s- ~7 ~/ M* `5 ]  W在运放的使用中，电压跟随器是一种常见的应用，该电路的好处是：一是减小负载对信号源的影响；二是提高信号带负载的能力。
7 |! v" N8 F* p
  _$ O) U7 E( |& D% Z
5 y  {. q3 a: e3 B& }) N* C9 ~上图是运用运放实现了电阻分压的功能，首先用电阻获得需要输出的电压，然后用运放对该电压进行跟随，提高其输出能力。


7、单电源的应用
( W( Z" u$ q# \0 `! H. ~3 o, M
$ c$ r- B% |+ a- m. v, i
7 U: p* N2 b) Q7 U# Q: W& q0 h) Y在运放的实际使用，我们一般为了保持运放的频率特性，一般都采用双电源供电，但有的时候在实际使用，我们只有单电源的情况，也能实现运放的正常工作。

  I  s- [, a- C2 c/ p首先我们运用运放跟随电路，实现一个VCC/2的分压:
( T9 h6 E+ w+ {' z$ O. ?1 P
. }, ^2 I7 ]" M# Z当然，如果在要求不是很高的场合，我们可以直接电阻分压，获得+VCC/2，但由于电阻分压的特性所在，其动态的响应速度会非常慢，请谨慎使用。
( R7 o# U- z4 ^, Z; `7 J
, g4 E( H- k; E/ V6 |获得+VCC/2后，我们可以用单电源实现信号放大功能，如下图：

该电路中 R66=R67//R68， 信号的输出增益G=-R67/R68 。

/ |/ [0 s6 j: E具体应用如下图：运放为单+5V_AD供电，AD芯片的电压是3.3V（基准电压芯片REF3033得到），该3.3V再电阻分压和经过运放跟随后得到1.65V，给到运放的同相输入端
附：运放的应用要点
来源：网络