原標題：成就電子電路設計高手(六)，運算放大器電子電路設計

成就電子電路設計高手（六）：運算放大器電子電路設計

一、運算放大器概述

運算放大器（Operational Amplifier，簡稱OP、OPA、OPAMP、運放）是一種具有極高放大倍數的電子電路單元。它通常用于信號的放大、濾波、比較、運算等多種功能。運算放大器的特點是輸入阻抗高、輸出阻抗低、開環增益大，這些特性使得它在電子電路設計中具有廣泛的應用價值。

二、運算放大器的基本組成

運算放大器主要由輸入級、中間放大級、輸出級和偏置電路等四部分組成：

1. 輸入級：

• 運算放大器的輸入級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非常匹配的晶體管（或場效應管）組成，通過恒流源電路實現偏置。

2. 中間放大級：

• 中間放大級采用共射或共源電路，用于增加電壓放大倍數。

• 通常采用恒流源負載和復合管結構，以提高電路的性能。

3. 輸出級：

• 輸出級采用互補輸出形式，以提高負載能力和增大輸出電壓和電流的動態范圍。

• 二只輸出管輪流導通，每管工作在乙類狀態。為消除交越失真，通常會給輸出管提供適當的偏置電流，讓其工作在甲乙類狀態。

4. 偏置電路：

• 運算放大器的偏置電路與分立放大電路的偏置電路設計有很大不同，主要由各種形式的恒流源電路實現。

三、運算放大器的工作原理

運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：

• 運算放大器的正輸入端和負輸入端的電壓差幾乎為零，即V+=V?。

2. 虛斷：

• 流入運算放大器正輸入端和負輸入端的電流幾乎為零，即I+=I?=0。

基于這兩個原則，運算放大器可以實現各種復雜的信號處理功能。

四、運算放大器的典型應用

運算放大器在電子電路設計中具有廣泛的應用，以下是一些典型的應用：

1. 反相放大器：

• 反相放大器是一種將輸入信號反相放大的電路。

• 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。

• 它通常用于信號的緩沖和隔離。

4. 加法器：

• 加法器是一種將多個輸入信號相加并輸出的電路。

• 通過適當的電阻網絡可以實現信號的加權求和。

5. 積分器和微分器：

• 積分器是一種將輸入信號進行積分運算的電路。

• 微分器是一種將輸入信號進行微分運算的電路。

• 它們通常用于信號的濾波和波形變換。

6. 有源濾波器：

• 有源濾波器是一種利用運算放大器實現的濾波器。

• 它具有體積小、重量輕、功耗低、頻率響應好等優點。

五、運算放大器電路設計的關鍵步驟

1. 確定電路功能：

• 根據應用需求確定運算放大器電路的功能，如放大、濾波、比較等。

2. 選擇運算放大器：

• 根據電路功能和性能要求選擇合適的運算放大器型號。

• 需要考慮運算放大器的增益帶寬積、壓擺率、輸入阻抗、輸出阻抗等參數。

3. 設計電路結構：

• 根據電路功能選擇合適的電路結構，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。

4. 仿真和調試：

• 使用電子設計自動化（EDA）工具對電路進行仿真分析。

• 根據仿真結果調整電路參數，優化電路性能。

• 在實際硬件上進行調試和測試，確保電路滿足設計要求。

六、運算放大器電路設計的注意事項

1. 輸入和輸出范圍：

• 運算放大器的輸入和輸出范圍受到電源電壓的限制。

• 在設計電路時需要確保輸入信號和輸出信號在允許范圍內。

2. 穩定性和反饋：

• 運算放大器的穩定性和反饋網絡的設計密切相關。

• 需要合理設計反饋網絡，避免產生自激振蕩。

3. 噪聲和干擾：

• 運算放大器的輸入級通常具有較高的噪聲水平。

• 在設計電路時需要采取措施降低噪聲和干擾的影響。

4. 電源和地：

• 運算放大器的電源和地連接需要穩定可靠。

• 需要采取措施防止電源波動和地回路干擾。

七、總結

運算放大器是電子電路設計中的重要元件之一，它具有廣泛的應用價值。掌握運算放大器的基本原理、典型應用和電路設計方法，是成為電子電路設計高手的必備技能之一。通過不斷學習和實踐，可以不斷提高運算放大器電路設計的水平和能力。