运算放大器在电路中发挥重要的作用

运算放大器在电路中发挥重要的作用，其应用已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个领域，并将在支持未来技术方面扮演重要角色。在运算放大器的实际应用中，设计工程师经常遇到诸如选型、供电电路设计、偏置电路设计、PCB设计等方面的问题。在电子工程专辑网站举行的《运算放大器应用设计》专题讨论中，圣邦微电子有限公司总裁张世龙先生应邀回答与工程师进行互动。我们也基于此专题讨论，总结出了运算放大器应用设计的几个技巧，以飨读者。

一、如何实现微弱信号放大？

传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？张世龙指出，对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果，必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段，而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。他表示，需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的SPDT模拟开关。

另有工程师朋友建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻。有网友对这类问题的解决也进行了补充，如网友“1sword”建议：

1)电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国家半导体、BB(已被TI收购)、ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。

2)推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具)，金属体接电路地，可以大大改善电路抗干扰能力。

3)对于传感器输出的nA级，选择输入电流pA级的运放即可。如果对速度没有多大的要求，运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些。

4)若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M欧级好一些。否则对电阻要求比较高。后级再进行2级放大，中间加入简单的高通电路，抑制50Hz干扰。

二、运算放大器的偏置设置

在双电源运放在接成单电源电路时，工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好？有的网友建议用参考电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁路，有的网友建议用电阻，理由是成本低而且方便，对此，张世龙没有特别指出用何种方式，只是强调双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的话，效果最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。但若采用电阻分压方式，必须考虑电源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高，PSRR比较低。

三、如何解决运算放大器的零漂问题？

有网友指出，一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可是在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生，如何解决这个问题？

对此，网友“Frank”分析道，有几种可能性会导致零漂：1)反馈电容ESR特性不好，随电荷量的变化而变化；2)反馈电容两端未并上电阻，为了放大器的工作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点；3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂。

网友“camel”和“windman”还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析，认为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话，也会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑！

而嘉宾张世龙则建议，对于电荷放大器输出电压不归零的现象，一般采用如下办法来解决：

1)采用开关电容电路的技巧，使用CDS采样方式可以有效消除offset电压；2)采用同步检测电路结构，可以有效消除offset电压。

运算放大器

运算放大器（常简称为“运放”），具有很大开环增益和深度负反馈的直流放大器。由于

改变反馈网络，输出信号是输入信号经某种数学运算的结果，故名。广泛用于模拟电

子电路、仪器以及模拟计算机中。应用广泛、具有超高放大倍数的电路单元。可以由分立的器件组成，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。

历史

运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算单元，是模拟电子计算机的基本组成部件，由真空电子管组成。

第一块集成运放电路是美国仙童（fairchild）公司发明的μA741，在60年代后期广泛流行。直到今天μA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。

原理

一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。

运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。

运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。

运放的输出电位通常只能在高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值之间变化。经过特殊设计的运放可以允许输出电位在从负电源到正电源的整个区间变化。这种运放成为轨到轨（rail-to-rail）输出运算放大器。

运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如100dB，即100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。

应用

运算放大器是用途广泛的器件，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。

运算放大器核心是一个差动放大器。

就是两个三极管背靠背连着。共同分担一个横流源的电流。三极管一个是运放的正向输入，一个是反向输入。正向输入的三极管放大后送到一个功率放大电路放大输出。

这样，如果正向输入端的电压升高，那么输出自然也变大了。如果反相输入端电压升高，因为反相三级管和正向三级管共同分担了一个恒流源。反向三级管电流大了，那正向的就要小，所以输出就会降低。因此叫反向输入。

当然，电路内部还有很多其它的功能部件，但核心就是这样的。

运算放大器的基本工作原理

理想运算放大器的工作原理

关于运算放大器的概念，前面虽然已经介绍过了，这里再稍微详细的介绍一下。

由于运算放大器的增益极高，所以不能在两输入端之间加上输入信号，而一定要用作反馈放大器。这种运算放大器基本上可分为图 2 － 9 所示的非倒相放大电路和图 2 － 10 所示的倒相放大电路两类。

(a) 非倒相放大电路

首先，我们来讨论非倒相放大电路。设 IN+ 端和 IN －端的电压分别为和

，并认为运算放大器的增益无限大，则为要获得有限的输出电压，则= 。

这点则是运算放大器工作中的一大特征。在此前提下，分析电路工作就能变得十分简单。根据此特征，输入与输出的关系为：

(b) 倒相放大电路

下面我们来分析倒相放大电路。= ，这点是与非倒相放大电路情况相同

的，所以=0V 。这样，尽管有输入信号，然而端处为 0V 。恰似接地，

所以被叫做假想接地。于是，若讨论流经、的电流 I ，由于运算放大器

的输入电流为 0 ，则

据此，可得出输入与输出的关系

可见，非倒相放大器和倒相放大电路，是从对应于输入，其输出是否倒向这一事实出发而得名的。

(c) 差分放大电路

如图 2 － 11 所示，可将两个这种放大电路组合成差分放大电路。端的电

压由和分压而得

流经和的电流 I 为

由上述两式可得

其中，如设＝，＝，则

即差分放大器能够获得和之差成正比的输出。

实际的运算放大器

以上所述是均是理想的运算放大器的情况。实际上，运算放大器的增益不可能无

限大，有电流向、端子流入（或流出），并且其电流不一定相等。即

使在无信号时，、之间也有一定的电压。

(a) 输入偏置电流()的影响

如果运算放大器的输入级由晶体管构成，要使电路能正常工作，应有偏置电流（基极电流）流过。该输入偏置电流流经反馈电阻时，会产生压降，从而造成输出误差。

在图 2 － 12 电路中，尽管无输入，但是在输出端也会出现位移电压。

此为：

由于，设＝// ( 与并联的值 ) ，则＝ 0 ，

输入偏流的影响消失。并且，采取 C 耦合，将电容器与串连时，若设，

则＝ 0 。

对于采用场效应管构成输入级的运算放大器，由于输入偏流几乎可以忽略不计，不必产生过去的顾虑。但是，由于采用场效应管输入的运算放大器来讲，如果温度上升 10 摄氏度，则输入偏流将增高两倍，因此，这种运算放大器必须避免在高温情况下使用。

(b) 输入位移电流（）的影响

在前项中，设端、端的输入偏流、相等，但实际上二者之间多

少有些不同，与之差被叫做输入位移电流。

当设定常数，而使输入偏流不致产生影响时，因输入位移电流所造成的输出

位移电压为：＝.

它与与无关，于是对于通过双极型输入运算放大器来讲，的上限值

为 100 ，希望值更大时，应使用场效应管输入运算放大器。

(c) 输入位移电压（）的影响

在造成输出误差的原因中，有输入偏流，输入位移电流，还有输入位移电压。

如图 2 － 13 所示，虽然没有信号，然而工作时宛如在输入端加上了的电

压。因此，在输出端出现了增益倍数的电压。这与输入偏流和输入位移电流不同，不能通过电阻值得设定来减小其影响。

因此，对单运算放大器来讲，一般具有片位移电压调节端子，如图 2 － 14 所示，接入可变电阻，可以将位移调整为 0 。

(3) 参数的设定

现在来分析图 2 － 15 所示的非倒相放大电路。以此电路制作增益 10

（ 20dB ）的放大电路时，增益为：

因此，与、的绝对值无关，可有其比值决定。

?当反馈电阻过小时

现设、，计算出＝ 10 。那么在实际使用运算放大器，采用上述电阻值时，看看是否能获得增益为 10 的放大电路。

回答是否定的。其原因在于，对于运算放大器来讲，是负载，若出

现振幅，则与此对应的电流将流经、。一般的运算放大器的输出电流不

超过 20mA 。若按此计算，仅会出现在振幅为 200mV 左右的信号（图 2 －16 ）

并且，由于开环增益大大下降，不仅得不到必要的增益（这里为 10 ），而且失真率也大大增加了。

?反馈电阻过大时

那么设、，情况又将如何呢？这样一来，前述情况不存在了。此时，无论增益，还是振幅均可获得需要的数值。

然而，现在又会出现其他的问题。流经端子的输入偏流的影响不能完全忽

略不计，出现输出位移，最坏的情况下输出将出现饱和现象。

寄生电容的影响也不能忽视，当信号频率增高时，增益将失常，电阻引起的热噪声的影响增加，输出噪声会增加。

?反馈电阻适当的范围

如上所述，、的值存在着一个适当的区域，这个区域通常为几百欧至几

千欧。通常，选取为几千欧至几十千欧（图 2 － 15 ）

这一电阻范围不仅使用于非倒相放大电路，而且对于倒相放大电路或差分放大电

路也是适用的。但是，在这种情况下，从输出端到端之间的反馈电阻值（图

2 － 10 的、图 2 － 11 的）应在几千欧以上。