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运算放大器使用技巧一、采用哪种放大器运算放大器基本电路有反相放大器及同相放大器，在实际使用中如何选择? 如果输入与输出要求反相，当然要采用反相放大器，若放大的是交流信号，并无相位要求则可以采用同相放大器或反相放大器。采用哪种好呢？这要根据具体情况来分析。 采用反相放大器的优点是：运放不管有无输入信号，其两输入端电位始终近似为零两输入端之间仅有低于V级的差动信号(或称差模信号)而同相输入放大器的两个输入端之间除有极小的差模信号外，同时还存在较大的共模电压。虽然运放有较大的共模抑制比，但多少也会因共模电压带来一些误差。同相放大器的优点是输入阻抗极高，因此输入电阻取大取小影响不大，而反相放大器的输入阻抗Zi与输入电阻Ri大小有关(输入阻抗Zi等于输人电阻Ri) 例如，输入阻抗要求100k；增益要求300，则若采用反相放大器时，Ri=100k，Rf=30M这样大的反馈阻值对通用运放很难正常工作了，在这种情况时，采用同相放大器更合适。 另外，还要看信号源的内阻大小。某些传感器的内阻较大，若采用输入阻抗较小的放大电路，会影响测量精度、在这种情况时采用同相放大器更为合适。 这里介绍一种既采用反相放大器，而且也不采用阻值大的反馈电阻的电路，如图1所示这电路中的反馈电阻Rf不直接接在输出端，而按在由R1、R2组成分压器的中点A。现对此电路进行一些分析。此电路要求输入阻抗为100K，增益为-500。按一般反相放大器设计，Ri=100 K，Rf=50M。 A点的分压比为R1/（R1+R2）=1/500，且有R1Rf。根据“虚短”及“虚断”原则，可以列出下式：Ii=Vi/100K=If,IfRf=-VA,代入可得VA=-Vi。由A点可列出节点电流方程：Ii+If=I2及Ii=（0VA）R1=Vi100；所以，I2=(Vi/100)+(Vi/100K)Vi/100。由此可求出：V0=VAI2R2=Vi(Vi/100)X49.9k=500Vi，即满足VoVi=500的要求 在计算中略去If会造成一些误差，但因RfR1，在本例中If仅为Ii的千分之一，故这种误差是不大的。 若需要采用同相放大器，使输入与输出同相，可采用图2的电路。读者可以自行推导一下其增益是多少。二、Ri、Rf的选取从反相放大器及同相放大器的增益公式可知，其增益取决于Rf与Ri的比值。并且通过实验，在一定范围内，Ri、Rf变化，只要它们之间的比值不变，增益也不变，在具体设计中电阻阻值如伺选择呢? 以前的实验中，并没有加负载，而实际的放大电路是有负载电阻RL的；如图3所示 1、电阻取值太小 设计一个反相放大器，若增益为100，能否取Ri=10，Rf=100，Rf=lk呢?这比值是对的，但实际是不行的这可以从两方面来分析：（1）运放输出的电流是流向负载电阻及Rf的，可以看作RL与Rf并联。所以当Rf取得很小时(如10100)，则流过Rf的电流就大，运放有限的输出电流能力就不能充分利用，甚至使放大器很快饱和，放大器的输出电压范围变得很小，即线性范围很窄例如，若Rf为500，当输出电压为10V时，将要20mA流入Rf(若Rf取100，则要100mA)，而一般运放输出电流仅土10-20mA另外，Rf过小，使管耗过大，发热严重，可能要烧坏器件 （2）反相放大器的输入阻抗等于Ri，所以Ri取得很小时，其输入阻抗就很小。当信号源内阻较大时，信号就输不出来。 2、电阻取值太大 Ri及Rf取得过大时可能会带来较大的电流漂移干扰如Rf取10M，则100nA的工作偏流IiB在Rf上将形成1V压降影响输出，IiB若稍有变化，则会造成输出信号的严重漂移，且会形成对外部干扰很敏感的电路。若用手指触摸10M电阻，则输出是混有噪声的削顶波形。另外，由于存在分布电容的因素，当工作频率较高时，频率特性将变坏。 一般电阻在1k-lM之间选取，而在10100K之间选取是较常见的。 其次的问题是如何选择电阻的精度等级在对放大倍数要求不严的应用场合，如音响电路的前置放大电路，采用5精度的电阻即可。对精度要求高的放大器可采用1或0.5的高精度电阻。一般都采用金属膜电阻。 在业余条件下，可以采用数字式万用表欧姆档来选配电阻，住住可获得较好效果。 这里要指出的是，电阻的阻值也是会随温度变化而变化的，则它会影响放大器的温漂，所以在精度要求较高的放大器中，应选用温度系数较小的电阻，一般高精度电阻其温度系数在lOOppm。C以下（ppm表示百分之一）。 最后提一下电阻的功率由于流过Ri、Rf、Rp电阻的电流都很小，一般可选用18W-l16W的金属膜电阻，若现有14W的也可用。 3、能否用半可调电阻代替Ri，Rf ？ 由于电阻的阻值有一定的误差，能设定的增益与实际增益有一定的差别，而精密电阻价格较贵，并且尺寸较大，能否采用半可调电阻来代替Ri及Rf，通过调整来满足增益的要求，如图4(a)、(b)、(c)所示： 从原理上来看，三种方案都可以的，但实际上有一些问题。首先是半可调电阻的接触不太可靠，在振动或撞击时可能会改变其阻值，一般的半可调电阻的电阻层是碳膜的，它的温度系数较大，与其他电阻温度系数数不匹配，容易产生温漂，因此不适合精度高的放大器，从图4(a)与4(b)比较，采用(b)方案较好，Rf的变化对Rp的影响较小。方案(c)虽然增益调整范围极大，但实际调节范围不应过大。在增益调节中采用精密多圈电位器较好，它的特点是：调节方便、精确、温度系数较小。三、缓冲器的应用图5(a)是大家熟悉的同相放大器电路。如果电路中Ri=，Rf=0，则电路变成图5(b)的样子，它就是缓冲器电路。 由同相放大器增益公式1+RfRi可知，若Rf=0，Ri=，则其增益为1。同样，用“虚短的原则来分析：反相输入端的电压等于同相端的电压，而反相端已与输出端直接连接在一起，即V0=Vi这样增益为1的电路虽然十分简单，什么外围元件都没有，有什么用处呢?先按图6来做一个实验。这里采用的是土9V电源，采用数字表测量，从实验结果可以看出：在空载时(即不接0.5k负载电阻时)，在7.06V+8.93V范围内输入电压等于输出电压，且是同相的，电压跟随范围相当大。当负载电流小时，有负载及无负载没有差别。但负载电流大时，如大于14mA时，输出电压要比输入电压小，即放大器提前饱和。对于输出载电流大与输出电压的关系，有兴趣的读者，用可图7所示的电路进行测量实验。缓冲器的特点是输入阻抗极高、输出阻抗极低、能输出较大电流。因此它可用作缓冲隔离级“插入”电路中，如某些振荡器电路若直接接负载会影响振荡器输出特性甚至或停振，而在振荡器与负载之间插入缓冲器，则可稳定地工作。又例如一些内阻高的传感器，如压电式传感器，其输出信号非常弱，而且内阻极高。若采用一般放大器与传感器直接连接会产生较大的测量误差。这时传感器与放大器间插入一个缓冲器，以起到阻抗变换的作用。 下面再介绍一种实用电路，如图8所示。为防止看电视影响屋内人学习，一般可用耳机来解决(插入电视机音频输出孔)，但如果要多人看时，则可采用图8的电路来解决。A1A4是四运放，接成缓冲器(LM324是单电源工作的，电源电压可采用6V)。由于它输入阻抗高，所以即使四个运放输入端都接在一起也能工作。耳机可用低阻抗的。 四、运放放大器应用举例本文以无线电制作者最常用的四运放集成电路LM24为例，来介绍运算放大器的几种典型应用。LM24采用14脚双列直插塑料封装，管脚排列如图9所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，可使用单电源供电，四组运放除电源共用外，均相互独立。每组运算放大器可用图10所示符号来表示，它有五个引出端，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“V0”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端信号的相位相反；Vi+(十)为同相输入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端信号的相位相同。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛于家用电器、电子玩具、报警装置、自动控制等电路中。下面介绍几种应用实例。 1反相交流放大器 电路见图11。此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等，特点是电路无需调试。放大器采用单电源供电，由R1、R2组成12V+偏置，C1是消振电容。放大器电压放大倍数Av由外接电阻Ri、Rf决定：AV=RfRi。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，若Ri=10k，AV=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先选取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数再选定Rf，C0和Ci为耦合电容。 2同相交流放大器 见图12。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数AV也由外接电阻决定：Av=1+RfR4，电路输入电阻为R3，R4的阻值范围为几千欧几十千欧。3交流信号三分配放大器见图13。此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路可分别用作指示、控制、分析等用途，而对信号源影响极小。因运放A1输入电阻较高。运放A1A4均把输出端直接接至负输入端，信号输入至正输入端，相当于同相放大状态时Rf=0的情况，故各放大器电压放大倍数均为1，与分立元件组成的射极跟随器作用相同。R1、R2组成1/2V+偏置，静态时Al输出端电压为1/2V+，故运放A2A4输用端亦为1/2V+，通过输入输出电容的隔直流作用，取出交流信号，形成三路分配输出。 4测温电路 见图14。感温探头采用一只硅三极管3DG6，把它接成二极管形式。硅晶体管发射结电压的温度系数约为25mVoC，即温度每上升1oC，发射结电压便会下降25mV。运放Al连接成同相直流放大形式，温度越高，晶体管BG1压降越小，运放A1同相输入端的电压越低，输出端的电压也越低，这是一个线性放大过程。在A1输出端接上测量或处理电路，便可对温度进行指示或进行其它自动控制。 5有源带通滤波器 许多音响装置的频谱分析器均使用如图15所示电路做为带通滤波器，以选出各个不同频段的信号，在显示器上利用发光二极管点亮的多少来指示信号幅度的大小。这样有源带通滤波器的中心频率f0=1/2C1/R3（1/R1+1/R2）1/2，在中心频率f0处的电压增益A0=R3/2R1，品质因数Q=1/2R3（1/R1+1/R2） 1/2，3dB带宽BW=1/RC。也可以根据设计确定的Q、f0、A0值，求出带通滤波器的各元件参数值。R1=Q/2f0A0C，R2=Q/（2Q2A0）2f0C，R3=2Q/2f0C。上式中，当f0=1kHz时，C取0.01。此电路亦可用于一般的选频放大。此电路亦可使用单电源，只需将运放正输入端偏置在1/2V+并将电阻R2下端接到运放正输入端即可。 6比较器 当去掉运放的反馈电阻时，或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态)，理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大，如LM324运放开环放大倍数为l00dB，即10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平(V+)，就是低电平(V或地)。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出高电平；当正输入端电压低于负输入端电压时，运放输出低电平。图16中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1，组成分压电路，为运放A1设定比较电平V1；电阻R2、R2，为运放A2设定比较电平V2。输入电压Vi同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当ViV1时，运放A1输出高电平；当ViV2， 则当输入电压Vi越出V2、V1区间范围时，LED点亮这便是一个电压双限指示器。若选择V2V1，则当输入电压Vi在V1、V2区间范围内时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。 7单稳态触发器 见图17。此电路可用在一些自动控制系统中。电阻R1、R2组成分压电路，为运放A1负输入端提供偏置电压U1，作为比较电压基准。静态时，电容C1充电完毕，运放Al正输入端电压U2等于电源电压V+，故A1输出高电平。当输入电压Ui变为低电平时，二极管D1导通，电容C1通过D1迅速放电，使U2骤然降至地电平，