运算放大器设计及应用
--电子工程师必备手册（下）
目录：
一、 运算放大器设计应用经典问答集粹
二、 四类运算放大器的技术发展趋势及其应用热点
一、 运算放大器设计应用经典问答集粹
1.用运算放大器做正弦波振荡有哪些经典电路
问：
用运算放大器做正弦波振荡器在学校
不理想。哪位做过，可否透露些经验或成功的电路？
答：
(1)用以下方法改进波形质量：
选用高品质的电容；对运放的电源进行去耦设计；对震荡器的输出信号进行滤波处理。
(2)我曾经在铃流源电路中用到一种带有AGC电路的文氏电桥振荡器，用来产生25Hz的正弦波，如图所示。
图中使用二极管限幅代替非线性反馈元件，二极管通过对输出电压形成一个软限幅来降低失真。文氏电桥或
低失真的特性要求有个辅助电路来调节增益，辅助电路包括从在反馈环路内插入的一个非线性元件，到由外
部元件构成的自动增益控制（AGC）回路。通过D1对正弦波的负半周取样，且所取样存于C1中，选择R1
和R2，必须使Q1的偏置定在中心处，使得输出电压为期望值时，（RG+RQ1）=RF/2。当输出电压升高时，
Q1增大电阻，从而使增益降低。在上图所示的振荡器中，给运算放大器的正输入端施加0.833V电源，使输
出的静态电压处在中心位置处（Vcc/2=2.5V），这里Q1多数用的是小信号的MOSFET 2N7000（N沟道，60V，
7.5欧），D1则选用1N4148。以上供你参考。
(3)
为克服RC移相振荡器的缺点，常采用RC串并联电路作为选频反馈网络的正弦振荡电路，也称为文氏电桥振
荡电路，如图Z0820所示。它由两级共射电路构成的同相放大器和RC串并联反馈网络组成。由于φA=
0，这
就要求RC串并联反馈网络对某一频率的相移φF＝2nπ，才能满足振荡的相位平衡条件。下面分析RC串并
联网络的选频特性，再介绍其它有关元件的作用。
图Z0820中RC串并联网络在低、高频时的等效电路如图Z0821所示。这是因为在频率比较低的情况下，
（1/ωC）>R，而频率较高的情况下，则（1/ωC）<R，前者等效于一节超前型移相电路，后者等效于一节滞后
型移相电路。显然频率从低到高连续变化，相移从+90°到-90°连续变化，其中必存在一个中间频率f0，使RC
串并联网络的相移为零。于是满足相位平衡条件。对此，可进一步作定量分析，由图Z0821（a）得：
为调节频率方便，通常取R1= R2= R，C1= C2= C，如果令ω0＝1/RC，则上式简化为：
可见，RC串并联反馈网络的反馈系数是频率的函数。由式GS0821可画出的幅频和相频特性，如图Z0822
所示。由图可以看出：
当时， 的模最大，且| | = 1/3，φF＝0；当f大于f0时，| |都减小，且φF≠0。
这就表明RC串并联网络具有选频特性。因此图Z0820电路满足振荡的相位平衡条件。如果同时满足振荡的
幅度平衡条件，就可产生自激振荡。振荡频率为：
一般两级阻容耦合放大器的电压增益Au远大于3，如果利用晶体管的非线性兼作稳幅环节，放大器件的工作
范围将超出线性区，使振荡波形产生严重失真。为了改善振荡波形，实用电路中常引进负反馈作稳幅环节。
图Z0820中电阻Rf和Re引入电压串联深度负反馈。这不仅使波形改善、稳定性提高，还使电路的输入电阻
增加和输出电阻减小，同时减小了放大电路对选频网络的影响，增强了振荡电路的负载能力。通常Rf用负温
度系数的热敏电阻（Rt）代替，能自动稳定增益。假如某原因使振荡输出Uo增大，Rf上的电流增大而温度
升高，阻值Rf减小，使负反馈增强，放大器的增益下降，从而起到稳幅的作用。
从图Z0820可以看出，RC串并联网络和Rf、Re，正好组成四臂电桥，放大电路输入端和输出端分别接到电
桥的两对角线上，因此称为文氏电桥振荡器。
目前广泛采用集成运算放大器代替图Z0820中的两级放大电路来构成RC桥式振荡器。图Z0823是它的基本
电路。
文氏电桥振荡器的优点是：不仅振荡较稳定，波形良好，而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节。
2.如何估算多级放大器的频宽
问：
如果设计一个带宽为DC-100MHz的放大器，总增益为50倍，共三级放大，运算放大器的单位增益带宽为
1GHz，请问如何估算总带宽？
答：
(1)运放的增益带宽积=增益×（-3dB带宽），例如，若三级运放增益分配为：第一级为：+2，那么它的-3dB
带宽=1000MHz/2=500MHz，第二和第三级的增益都为+5，那么它的-3dB带宽=1000MHz/5/1.4=140MHz，所
以系统的总增益为2×5×5=50，带宽为140MHz＞100MHz，符合设计要求。
注：这里假设所提的1000MHz运放的增益带宽积等于其单位增益时的-3dB带宽。
(2)估算放大器的带宽，要用到运放带宽积的概念，带宽积=增益X（-3dB带宽）。按专家所给出的以上计算
方法即可估算系统带宽。
(3)
3.把负电压转成正值
问：
我需要把负电压转成正值，范围是－0.494至－0.221V，想接一个反向比例运算电路，但是LM358接出来不
对，op07可以，但是op07需要正负15v供电，比较麻烦。
请各位推荐一个正负5v供电的运放，谢谢了。
答：
(1)不知你要的输出电压是多少，可以用SGM358试试电源电压是正负2.75（最大）
(2)输出电压就是正的啊，0.221至0.494V，就是一个反相比例运算电路。我再重说一下吧，其实很简单，
就是把一个－0.494至－0.221V的电压转成正的即可，请大家推荐一种正负5V供电的运放。之前我在multisim
上用LM358模拟过，但是结果不对。用op07可以，但是需要正负15V供电，比较麻烦。谢谢各位了！
(3)楼主的问题，首先需要认真查看商品的技术规范（http://wwwk.heltech.edu.hel.fi/ideaport/d/lm358.pdf），
问题自然明了。答案是：合格的LM358在+/-5V电源和RL>=10KOhm的条件下，能够满足将幅度低于-1V
的低频或直流信号做等幅反向转换或传输。这里，不要被单电源运放的名称所迷惑。单电源运放依然可以很
好地工作在双电源供电的工作环境里。不过是因为其比常规/标准运放具有更宽、更接近Vcc/Vee电源端电压
的输入/输出能力与特性，才有此专称，两者的结构本质上相同。通用运放在线性传输范围，依然有很多实际
的单电源供电应用。楼主在模拟/仿真LM358时，可能将供电设置成正极性单电源的方式，而一般的仿真软
件，可能将输入电压条件内置为Vcc/Vee电源端电压的范围，输入电压已经超出限度，结果自然不正常。从
LM358的PNP差分输入结构看，+5V单电源结构即有可能基本满足（一定条件下）初始的要求；而CA3140
（http://www.ee.washington.edu/stores/DataSheets/linear/ca3140.pdf）的PMOS差分输入结构在单电源条
件下， 满足要求的可能性更大。OP-07运放+/-5V也是可正常工作的
（http://www.ortodoxism.ro/datasheets/nationalsemiconductor/OP-07.pdf）。前期分析极为重要，但还得通过
实际验证。一个反向比例器的验证测试，在面包板上极为便捷。若有测量仪器就更为方便与直接
（Tek-577-178,BJ4840）。通过测量，还可评估一下所用仿真工具的智能程度与符合实际的概率。供参考。
4.微弱交流信号的提取与放大的问题
问：我的有用信号是1~100nA频率1k~10khz的交流信号，但是接收信号中又存在1uA左右的直流电流，我
应该如何把我要的交流电流提取出来然后放大呢？另外放大部分有什么好的实现方法么？大概1nA要转换成
10mV。
答：(1)解决问题时，需要提取焦点的“差异”，从而找出解决问题的钥匙。这里的关键就是：实现
跨阻比例器的直流调零。关于电路的具体参数设计，有时常与工艺考查紧密相关。根据经验推算：4MHz增
益带宽乘积的运放与
于频率上限边界的10KHz的正弦频率分量，会有-1.83%的最大频率响应衰减。主因就是与Rf等效并联的总
分布电容Cf（电阻的封装结构电容+工艺装配结构电容--包括运放封装和PCB等空间结构电容）。若此结果为
不可接受的瓶径，可考虑用两个
带宽产生的最高频响衰减的影响，将减少到约-0.0335%了。运放宜选用Ib<0.1nA（全工作温度范围内）和高
带宽的产品，以保证零点的稳定和高频响应的要求。或者对后续电路的传输采取交流隔直方式--以消除零点漂
移的影响。运放工作电源的交流纹波电压应<2mVp-p,不宜采用开关电源供电。整个电路需要采取电场屏蔽措
施——安装在屏蔽接地的金属盒子之中。设计的前期考虑越细致、投入越多，研制进程中翻案、返工、打补
丁的机会就越少，设计质量、产品质量才能更高，设计成本反而减少，生产的后期成本也越少。反之，结果
趋势相反。这些思想，就是那个著名的前期高设计投入、后期低生产消耗的“投入-消耗成本时间反比曲线族”
的具体体现。确实反映出设计、生产实践中的一些客观规律。
(2)谢谢你给我建议，它对我有很大的帮助，但是还是有个问题我搞不懂，怎么实现你说的“直流调零”呢？
另外能不能推荐几款合用的运放，再次感谢你。
(3) 1uA直流通过
形成诸多不便。将一个稳定的+10V（可用3296电位器微调）电压串接一个
端，形成一个相反的1uA抵消电流，
（+/-12V~15V双电源供电），OPA655（+/-5V双电源供电）。
5.紫外线传感器输出的电流放大问题
问：
传感器输出的电流大概是几十
