1）集成运放基本知识

（1）集成运放的分类

①通用型运放

常用于对速度和精度要求不太高的场合，如μA741（通用单运放）、CF124/CF224/CF324（四运放）。μA741要求双电源供电（±5 V～±18 V），典型值为±15 V。

②高输入阻抗运放

其特点是输入阻抗很高，约1012Ω，工作速度较快，输入偏流约10 μA，常用于积分电路及保持电路。

③低失调低漂移运放

此类运放如OP-07，输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂都很小，因而其精度较高，故又称为高精度运放，但其工作速度较低，常用于积分、精密加法、比较、检波和弱信号精密放大等。OP-07要求双电源供电，使用温度范围为0～70℃。

④斩波稳零集成运放

以ICL7650为代表的斩波稳零集成运放，其特点是超低失调、超低漂移、高增益、高输入阻抗，性能极为稳定，广泛用于电桥信号放大、测量放大及物理量的检测等。常用的集成运算放大器的主要型号和生产公司如表6.1和表6.2所示。

表6.1　常用集成运放

表6.2　集成低频功率放大器

（2）集成运算放大器的主要参数

①增益带宽GBW

GBW=AudfH

式中：Aud——中频开环差模增益；

fH——上限截止频率。

图6.1　F007的增益带宽特性

以F007为例，见图6.1，图中fH=10 Hz，Aud=100 dB，即105倍，GBW=1 MHz，所以该运放的单位增益频率fT=1 MHz。

若该运放在应用中接成闭环增益为20 dB的电路，由图6.1可见，这时上限截止频率fH=100 kHz。因为对于一个单极点放大器的频率特性而言，其GBW是一个常数。在实际使用时，集成运放几乎总是在闭环下工作，所以我们从GBW等于常数可推出该运放在实际工作条件下所具有的带宽。

②摆率（转换速率）SR

摆率（转换速率）SR是表示运放所在地允许的输出电压uo对时间变化的最大值。即：

若输入为一正弦波，则：

若已知Uom，则在不失真工作条件下的最高工作频率。

③共模抑制比KCMR

此指标的大小，表示了集成运放对共模信号的抑制能力。定义为开环差模增益和开环共模增益之比，工程上常用分贝来表示：

式中：Aud——开环差模增益；

Auc——开环共模增益。

共模抑制比这一指标在微弱信号放大中非常重要，因为在许多场合，存在着共模干扰信号，例如，信号源是有源的电桥电路的输出，或者信号源通过较长的电缆连到放大器的输入端，它们可能引起放大器的输入端与信号源接地端的电位不相同的情况，因而产生共模干扰，通常共模干扰电压值可达几伏甚至几十伏，从而对集成运放的共模抑制比指标提出了苛刻的要求。

④最大差模输入电压UidM和最大共模输入电压UicM

在实际工作中，集成运放最大差模输入电压UidM受输入级的发射结反向击穿电压限制，在任何情况下不能超过此值，否则就会损坏器件，而输入端的最大共模电压超过UicM时，放大器就不能正常工作。运放工作在同相输入跟随器时，其输入电压Ui的最大值就是最大共模输入电压。

（3）选用运放的注意事项

①若无特殊要求，应尽量选用通用型运放。当系统中有多个运放时，建议选用双运放（如CF358）或四运放（如CF324等）。这样有助于简化电路，减小板面，降低成本，特别是在要求多路对称的场合，多运放更显优越性。

②对于手册中给出的运放性能指标应有全面的认识。首先，不要盲目片面追求指标的先进，例如场效应管输入级的运放，其输入阻抗虽然高，但失调电压也较大，低功耗运放的转换速率也较低；其次，手册中给出的指标是在一定的条件下测出的，如果使用条件和测试条件不一致，则指标的数值也将会有差异。

③当用运放作弱信号放大时，应特别注意选用失调以及噪声系数均很小的运放，如ICL7650。同时应保持运放同相端与反相端对地的等效直流电阻相等。此外，在高输入阻抗及低失调、低漂移的高精度运放的印刷底板布线方案中，其输入端应加保护环。

④当运放用于直流放大时，必须进行调零。

⑤为了消除运放的调频自激，应参照推荐参数在规定的消振引脚之间接入适当电容消振。同时应尽量避免两级以上放大器级连，以减小消振困难。为了消除电源内阻引起的寄生振荡，可在运放电源端对地就近接去耦电容。考虑去耦电解电容器的电感效应，常常在其两端再并联一个容量为0.01～0.1 μF的瓷片电容。

图6.2　反相比例运算电路

2）典型模拟运算电路

集成运算放大器的基本应用电路，从功能上分，有信号的运算、处理和产生电路等。运算电路包括加法、减法、积分、微分、对数、指数、乘法和除法电路等；处理电路包括有源滤波、精密二极管整流电路、电压比较器和取样-保持电路等；产生电路有正弦波振荡电路、方波振荡电路等。

（1）反相比例运算电路

反相比例运算电路是最基本的运算电路。所谓反相比例电路是将输入信号ui从运算放大器的反相输入端引入，而同相输入端接地，该电路的输出信号与输入信号成反相比例关系。电路如图6.2所示。

图6.2中同相输入端经电阻R2接地，亦称为平衡等效电阻，其值为R1和Rf相并联的结果，这是因为集成运放输入级是由差动放大电路组成，它要求两边的输入回路参数对称，即从集成运放反相输入端和地两点向外看的等效电阻Rn应当等于从集成运放同相端和地两点向外看的等效电阻Rp。Rf为反馈电阻。其放大倍数为：

应用本电路时还应注意以下几点：

①本电路的电压放大倍数不宜过大。通常Rf宜小于1 MΩ，因为Rf过大会影响阻值的精度；R1不宜过小，否则整个电路的输入电阻就小，导致电路将从信号源吸取较大的电流。如果要用反相电路实现大的放大倍数，可用T型网络代替Rf。

②作为闭环负反馈工作的放大器，其小信号上限工作频率fH受到运放增益带宽GBW=AudfH的限制。

③如果运放工作于大信号输入状态，则此时电路的最大不失真输入幅度Uim及信号频率将受到运放的转换速率SR的制约。

（2）同相比例运算电路

图6.3　同相比例运算电路

同相比例电路的构成如图6.3所示。输入信号ui经电阻R2送到同相输入端，而反相输入端经电阻R1接地。为了实现负反馈，反馈电阻Rf仍应接在输出与反相端之间，构成电压串联负反馈。信号由同相端输入，所以输出与输入同相。

电路的电压放大倍数为：

图6.4　电压跟随器

如果将同相比例电路中的电阻R1开路，即接成电压跟随器形式。电路如图6.4所示，图中的R2和Rf起限流作用，防止因意外造成过大的电流。由上式可得uo=ui，即：输出电压与输入电压大小相等，相位相同。它具有输入电阻高、输出电阻低的特点，因此获得广泛的应用。

当运放的差模信号uid较小，而共模干扰输入uic较大时，为确保运算的精度，要求运放输出中的差模信号分量明显大于输出中的共模干扰分量。这里对运放的共模抑制比KCMR将有严格的要求。

（3）积分电路

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图6.5　积分电路

积分电路如图6.5所示，利用虚地的概念：u+=u-=0，ii=0，因此有i1=i2=i，电容C就以电流i=ui/R1进行充电。假设电容器C初始电压为零，则

因u_=0，所以有上式表明，输出电压uo为输入电压ui对时间的积分，负号表示它们在相位上是相反的。

通常，为限制低频电压增益，在积分电容C两端并联一个阻值较大的电阻。当输入信号的频率时，电路为积分器；若，则电路近似于反相比例运算电路，其低频电压放大倍数。

积分电路的用途广泛，如可用于延迟、方波变换为三角波、移相90°和将电压量转换为时间量等等。

（4）微分电路

图6.6　微分电路

将积分电路中的电阻和电容元件对换位置，并选取比较小的时间常数RC，便可得到如图6.6所示的微分电路。在这个电路中，同样存在虚地、虚短和虚断的概念。

设t=0时，电容器C的初始电压uC=0，当信号电压ui接入后，便有：

则有

上式表明，输出电压正比于输入电压对时间的微商。

微分电路的应用是很广泛的，在线性系统中，除了可作微分运算外，在脉冲数字电路中，常用来做波形变换，例如，在单稳态触发器的输入电路中，用微分电路把宽脉冲变换为窄脉冲。

（5）峰值检波电路

图6.7　峰值检波电路

如图6.7所示为峰值检波电路。A1和A2两个比较器构成两个电压跟随器，利用二极管的单向导电性，根据输入信号和输出信号不同的值，电容将进行充电或处于保持状态，直到电容上的电压和输入信号的最大值相同。

①ui＞uo，A1输出高电平，uo1＞ui，二极管D1关断、D2导通，保持电容CH充电，A1、A2（虚断使R上电流为0 A，电压为0 V）构成跟随器，电容电压uCH和输出电压uo同步跟踪ui增大。因二极管D1关断，A1开环，一旦uo＜ui，则立即会有很大的uo1向CH充电，稳定后有uo1=ui+UD2（on），保证闭环满足uo=ui=uCH，抵消了二极管导通电压UD2（on）的影响。

②ui＜uo时，D1导通，uo1=ui-UD1（on）＜ui，D2关断，由于CH无放电回路，则uo=ui=uI（peak），处于保持状态，实现了峰值检测。采样完一个周期后应由S控制CH放电，继续进行下一次检测。

3）测量放大器

测量放大器又称数据放大器、仪表放大器。其主要特点是：输入阻抗高、输出电阻低、失调及零漂很小，放大倍数精确可调，具有差动输入、单端输出，共模抑制比很高的特点。适用于大的共模电压背景下对变化微弱的差模信号进行放大，常用于对热电偶、应变电桥、生物信号等的放大。

（1）三运放测量放大器

电路如图6.8所示，运放A1和A2构成第一级，为具有电压负反馈之双端同相输入、双端输出的形式，其输入阻抗高，放大倍数调节方便；第二级A3为差动放大电路，它将双端输入转换为单端输出，在电阻精确配对的条件下，可获得很高的共模抑制比。电路中所用到的运放必须以高精度集成运放作为基础，如FC72、OP-07为双电源供电、低漂移高精度单运放，否则达不到上述效果。

图6.8　三运放测量放大器

该电路的差模电压增益为：

测量放大器的共模抑制比为：

上式中KCMR3为第二级A3的共模抑制比。改变RG的值，可调节放大器的放大倍数。该放大器第一级是具有深度电压串联负反馈的电路，所以它的输入电阻很高。

这种高精度数据放大器在许多要求处理低电平微弱信号的高精度电子设备中极其有用，并广泛用于数据采集系统中。

（2）单片集成测量放大器（LH0036）

三运放测量放大器有很强的共模抑制能力、较小的输出漂移电压和较高的差模电压增益，但为进一步提高电路的性能，应严格挑选几个外接电阻，因此目前已经把这种电路集成到一个集成电路上，LH0036即是其中的一种，它只需外接电阻RG[一般取50 kΩ/（Au-1）]。Au=1～1 000，Ri=300 MΩ，KCMR=100 dB，UIO=0.5 mV，IIO=10 nA，，SR=0.3 V/μs。其内部电路如图6.9所示。

图6.9中5和6脚分别为输入信号的正端和负端，4和7脚接电阻RG，用于改变测量放大器的放大倍数，12和10脚分别接电源的正和负，11脚为放大器的输出，8和9脚分别为放大器共模抑制比的预调的调整端，1脚为带宽控制，3脚为输入偏流控制。

这类放大器种类繁多，在工程实践中应用很广泛。按性能分类有通用型（如INA110、INA114/115、INA131等）、高精度型（如AD522、AD524、AD624等）、低噪声功耗型（如INA102、INA103等）。

图6.9　LH0036内部电路图

（3）可编程放大器

由于各种传感器的输出信号幅度相差很大，可从微伏数量级到伏特数量级。即使同一个传感器，在使用中其输出信号的变化范围也可能很大，它取决于被测对象的参数变化范围。如果放大器的放大倍数是一个固定值，则将很难适应实际情况的需要。因此一个放大倍数可以调节的放大器应运而生。

根据输入信号大小来改变放大器放大倍数的方法，可以用人工来实现，也可以自动实现。如果能用5组数码来控制放大器的放大倍数，则就不难根据输入信号的大小来实现放大倍数的自动调节，这样的数据放大器一般称为程控数据放大器，即可编程放大器。

可编程增益放大器有两种，一种是专门设计的电路，即集成PGA；另一种是由其他放大器外加一些控制电路组成，称为组合型PGA。

集成PGA电路种类很多，美国B-B公司生产的PGA102是一种高速、数控增益可编程放大器。它由1脚和2脚的电平来选择增益为1、10或100。每种增益均有独立的输入端，通过一个多路开关进行选择。PGA102的增益选择见表6.3。

表6.3　PGA102增益控制表

表中，逻辑0：0≤U≤0.8 V；逻辑1：2≤U≤VCC，逻辑电压是相对③脚的。

PGA102的内部结构如图6.10所示。

图6.10　PGA内部结构图

由图6.10和表6.3可看出，这种可编程放大器实际上是一种可控制放大器反馈回路电阻的运算放大器。在PGA102中，改变“×10”“×100”两管脚的电平，即可选择UIN1、UIN2和UIN3。3种输入电路的反馈电阻不同，因而可得到不同的增益。由于各输入级失调电压经激光修正，所以一般不用调整。其增益精度也很高，一般也不用调整，只有在必要时才外接电阻电路进行修正。量程自动转换可采用可编程增益放大器和微机实现量程自动转换。

BB3606是在原来三运放数据放大器的基础上实现的程控数据放大器。它的放大倍数变化范围从1到1 024倍，以2的幂次从20到210分成11挡。增益精度为±0.02%，非线性失真小于0.005%，温度漂移为每度百万分之五，最大输出电压为±12 V，最大输出电流为±10 mA，输出电阻为0.05 Ω，电源电压为±15 V，共模与差模电压范围为±10.5 V，失调电压为±0.02 μV，偏置电流为±15 nA，输入噪声电压峰-峰值小于1.4 mV，共模抑制比大于90 dB，单位增益下的频度响应（下降3 dB时）为100 kHz。

4）有源滤波器

滤波器在通信、测量自动控制系统中得到广泛的应用。经常遇到测量的信号都是很微弱的，且在其中还混有干扰信号，这对电路的正常工作是有害的，尤其是在微机控制电路中。为了消除这种影响，就需要用滤波器，使有用的信号能比较顺利地通过，而将无用的信号滤掉。

用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器，具有许多独特的优点。因为不用电感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。由于运算放大器的增益和输入电阻高、输出电阻低，所以能提供一定的信号增益和缓冲作用。这种滤波器的频率范围约为103～106 Hz，频率稳定度可做到（10-3～10-5）/℃，频率精度为±（3～5）%，并可用简单的级联来得到高阶滤波器，且调谐也很方便。

滤波器的技术指标主要有通带和阻带及相应的带宽，通带指标有通带、边界频率（没有特殊说明时，一般为3 dB截止频率）、通带传输系数。阻带指标通常提出对带外传输系数的衰减速度。下面简要介绍设计中的考虑原则。

（1）关于滤波器类型的选择

一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，一般是在对带外衰减特性要求不高的场合下选用。

当要求带通滤波器的通带较宽时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，这比单纯用带通滤波器要好。

（2）级数选择

滤波器的级数主要根据对带外衰减特性的要求来确定。每一阶低通或高通RC可获得（±）20 dB/十倍频的衰减，每增加一级RC电路又可以获得（±）20 dB/十倍频的衰减。多级滤波器串接时，传输函数总特性的阶数等于各阶数之和。当要求的带外衰减特性为-m dB/十倍频时，则所取级数n应满足n≥m/20。

（3）有源滤波器对运放的要求

在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器。为了获得足够深的反馈，以保证所需滤波特性，运放的开环增益应在80 dB以上。对运放频率特性的要求，由其工作频率的上限确定。设工作频率的上限为fH，则运放的单位增益频率应满足：BWG≥（3～5）AFfH，式中AF为滤波器通带的传输系数。

如果滤波器的输入信号较小，例如在10 mV以下，宜选用低漂移运放。如果滤波器工作于超低频，以致使RC网络中电阻元件的值超过100 kΩ时，则应选用低漂移、高输入阻抗的运放。