运放电路设计（一）

运算放大器在信号的采集、放大等各种应用中非常广泛，其应用电路也非常多，因此我们特地针对运算放大器的各种电路的实现、参数和一些关键的特性做了总结，以供各位小伙伴查阅。

在模拟电路中，为了分析方便，通常将集成运放视为理想的集成运放，虽然在理论上这样会带来误差，但是仍然在工程的允许范围之内。理想的运算放大器其开环差模放大倍数为∞。也就是说，即使两输入端加上无穷小的输入电压，也足以让运放工作在非线性区。也就是说运放开环时只有两种输出电压：±Uom。但是我们需要让运放为我所用，就需要让运放工作在线性区域，就需要引入一个重要概念：深度负反馈。

在上面我们引入了深度负反馈，这是利用运放组成运算电路的必要条件。从运放的实际电路结构上来说，运算电路实际上是一个高开环放大倍数、深度负反馈的直接耦合放大电路。

在运放电路而言，利用“虚短”和“虚断”和KCL定律即可计算出输出电压Uo和输入电压Ui之间的数学关系。但是在实际应用中过于复杂，因为我们总结出几大类常用的运放应用电路。

1、电压跟随器

如上图所示，利用“虚断”“虚短”的概念我们很容易的计算出输出电压Uo=Ui

在该电路中，输出电压跟随输入电压一起变化，故称之为电压跟随器。电压跟随器的关键特点是：输入电阻大、输出电阻小。通过这一特性我们通常将电压跟随器用作缓冲器，对后级电路而言，通常就相当于一个恒压源，可以起到一个隔离的作用。

2、同相比例运算电路

上图为同相比例运算电路，输入信号直接加在运放的同相输入端，利用“虚短”和“虚断”可以计算出其增益如下，其中因为输出电压Uo和Ui的相位相同，所以我们称为同相比例运算。

3、反相比例运算

通过计算可以计算出输出增益为，通过如下的计算公式可以知道输出电压和输入电压的相位相反，所以我们称之为反相比例运算电路。

4、差分比例运算电路

通常我们用比例运算电路去放大各种电压电流信号，比如同相比例运放，我们可以用该电路去做电流检测，如下图所示，但是该电路通常采样信号幅度较大，因此对抗干扰能力的要求并没有那么高。而还有一种场景是传感器需要采样一些非常微弱的信号（零点几毫伏级别），这时候就需要用到差分比例运算电路。

如下图为差分比例运算电路的一般形式，为了保证输入端电路的对称，需要满足的条件是：

R1//Rf=R2//Rp

通过理论计算，最终得到输出电压和输入电压的关系为：

Uo=-Rf/R1(U1-U2)

即输出电压和输入电压的差值成比例，所以我们称为差分比例运算放大器。

5、加减法运算电路

实现多个信号按照一定比例求和或者求差的电路称之为加、减法运算电路，若多个信号经过电阻全部作用于集成运放电路的同一输入端，则组成加法运算电路；若多个信号经过电阻分别作用于集成运放的两个输入端，则组成减法运算电路，如下图电路所示为反向加法运算电路和同向加法运算电路：

6、具有Cf滤波器的放大器

在运放的实际应用电路上，通常会在反馈电阻上增加Cf滤波器，其主要的作用如下：

①做相位补偿，增加相位余量，可以提高运放的稳定性，防止自激；

②起到低通滤波器的作用，因此加上Cf电容会减小运放的带宽。

如上所示的公式为加Cf滤波器的运放在高频和低频两个场景下的增益，下图为该同相运放的频率响应曲线，带Cf滤波器的反向放大器同理。

7、积分/微分运算放大器

积分电路和微分运算电路在自动控制系统中，常常被用来对控制信号进行积分和微分调节，此外，它广泛地用于各种非正弦波的产生和变换：例如在非正弦波产生电路中，用作时延电路，在波形变换中，将方波变为三角波：A/D转换中，将电压量转换为时间量等。

将反向比例运算电路的反馈电阻Rf用电容C替代，就构成了反向积分运算电路，该电路的分析同样使用“虚短”、“虚断”即可计算出来。

将反向比例运算电路中输入端的电阻换成电容，就构成了微分运算电路：