详解运放七大应用电路设计(附技术要点)

geren2014

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。

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。
  |3 r& s5 Z# ^
7 t7 V- u& R4 \8 V+ W5 U
1、运放在有源滤波中的应用

  p1 K; M) Q3 K( X0 j9 W
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。) s* P0 q* z2 j. \# D
5 P5 c. d5 S% I& t; |
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。
5 D0 o: D% _% R0 X& w
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。

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。
4 ]. K8 y9 X- ]
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。

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。$ ~: I* X8 o# m& X& m, S
( X$ f  R& Q" b- }$ J3 J
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；

; O. O- O7 I/ y% R$ i
$ A8 i* `+ t& p. b  p  ]  f& P! G
截止频率为

注明，m的单位为 欧姆， N 的单位为 u

所以计算得出 截止频率为4 u( x0 A9 v9 C( E/ E/ {" t, ^
; L5 G, U( t! y' T$ {

切比雪夫 ，迅速衰减，但通带中有纹波；
! n; O' r. F) A, M2 T1 w
贝塞尔（椭圆），相移与频率成正比，群延时基本是恒定。3 Q4 g6 H! p3 y: w2 F/ i! T. N

& s9 l8 }* y/ |; e+ P% U
2、运放在电压比较器中的应用7 V. Q' T$ f; b; o9 d, c; |0 }

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。# i+ d) J4 O% c% A* j1 f5 h
. M5 `9 W! M4 S
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 P. S: R8 v6 j& @$ `- g- J6 V

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。
' a4 J* i2 f3 Z  z- e" k& H! Q$ Z+ f# B
5 B0 q1 E$ e, m6 U$ ?2 e
3、恒流源电路的设计

如图所示，恒流原理分析过程如下：) V5 w" K. e- X2 @* p
- K0 }" E4 X# a7 k  ~( R

U5B（上图中下边的运放）为电压跟随器，故V1=V4;
  J( c# ]# Y* b1 r/ ~& E$ f
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；3 F" G9 {9 u3 a6 t( c. D+ X

有以上等式组合运算得：

& f8 B5 U. \8 y: p0 S: b
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。
1 X4 |# |. t# ]( x
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。
1 ?" d% h0 u6 a5 [, K
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。( o) m' A5 p0 [  R

4、整流电路中的应用  t% x' f3 F9 B+ `7 X

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。



5、热电阻测量电路

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。' D7 w# _; q+ G1 [
/ m, w1 G! O! s3 T8 |
8 T4 L$ G4 \& {- k
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

. W  p- Y. ~8 o

* I2 l+ I; q' l$ T' r8 N0 Z
6、电压跟随器" _+ P6 }" B" i3 s! o2 O
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。

( C, ?: e3 C; c( g; }% z: V
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。# e5 o- u! F, g& O1 q* X2 \
/ E, H& l0 y% y1 Y/ i
1 v$ f9 h) l$ C! }
7、单电源的应用; y* G, w/ f, X- Y7 ^; D

2 x5 z5 _: H. v( a
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。

首先我们运用运放跟随电路，实现一个VCC/2的分压:3 _& a  \! w6 |

: q9 y; M: l& u# }: h/ R5 |
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。! ~# s; K! ]" _$ l" d  B0 D
6 C8 q$ v! e- K
获得+VCC/2后，我们可以用单电源实现信号放大功能，如下图：

8 T& g' ~  T! ^* k- s, I% u' M
该电路中 R66=R67//R68， 信号的输出增益G=-R67/R68 。
0 l  \3 D: i& I4 r! k
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( _( M6 s+ E! L8 n% e5 l8 r

附：运放的应用要点& _* ^4 [* _  c. {# l1 d  k

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