OP分析、设计及应用技巧

已 知 压 力 传 感 器 在 零 信 号 时 有UA=UB=4V，在最大压 力时有 UA- UB=100mV。希望放大器在压力为零时输出 UO=0；最大压力时输出UO=+10V。即要求放大器： （1）对共模信号 UCM= (UA+UB)／2=4V 不放大，即共模放 大倍数AuCM=0； （2） 对差模信号放大 100 倍，即差模增益AuCD=UO／ 容容量与放大器闭 环增益间的对应关系在器件手册中均有参考数据， 用户在此基础上经过实际调试即可确定所需容量。 调试时不仅应保证所取电容能消除自激，还应适当 增大使有一定的稳定裕量，以保证在环境条件（如 温度）等变化时仍能正常工作。在电源端、 反馈支 路及输入端联接电容或阻容支路，来消除自激。
第二个问题是： 取RI=1kΩ、RF=499kΩ 或 是 RI=1Ω、RF=499Ω；RI=100kΩ、 RF=49.9MΩ 都能保证放大倍数Au=500。那么 RI和 RF是取大一 些、还是小一些好呢?前面我们已经分析了 RI、RF过大可能会 带来较大的电流漂移干扰，那么，RI、RF是不是越小越好呢?
1） 任何传感器都希望只输出电压信号，而不希望放大器向它索 取电流。因为信号电流流过传感器对传感器的工作将造成电、 磁、热等的干扰，并影响传感器的线性度、迟滞和温漂，因此都 希望与之配接的放大器具有尽可能高的输入电阻。
2）若输入电阻小的影响仅仅是信号被衰减倒不可怕， 只要相应提高放大器的增益即可补偿过来。重要的是 在压力不变、传感器信号源电势100mV不变的情况 下，仅仅温度变化致使传感器内阻变化时，由图可看 出放大器输入端电压 Ui 将随温度变化，并造成电路的 温漂而大大降低了系统的精度。
内补偿运放使用方便，但补偿电容的容量按最坏情况 下设计，因而电容量较大，致使集成运放的高频增益 明显下降，频带变窄。这对放大直流信号或低频交流 信号当然影响不大，但信号频率一高，放大器就不能 正常工作了。
而外补偿运放的外接补偿电容容量可以根据需要灵活 选用。这样，在要求集成运放有较宽的频带，例如用 作音响前置放大时，就可根据放大器的增益选择补偿 电容：增益越低（反馈越深）、越容易振荡，可加较 大的补偿电容；增益越高、越不容易振荡，电容可相 应减小，甚至不加
目前集成运放中，大多数电路内部已用集成工艺制造 了补偿电容，并保证在最坏情况下运放都能稳定工 作。这种器件叫做内补偿或全补偿运放。使用这种器 件时可不必考虑补偿，也不会出现自激。 有些运放内部没有加这个电容，而是从应该接补偿电 容的地方引出两个引脚来供用户外接补偿电容用，习 惯称之为外补偿运放。。
问题四： 如果要求反相，那么如何解决反馈电阻高 达 50MΩ的问题呢?
电路中反馈电阻 RF接至输出端 R1、R2分压器中点 A，分压比 R1／(R1+R2)=1／500，且有R1<<RF。由“虚短”、“虚断”不 难求出：Au≈－(RF／RI)(R1+R2)／R1 图示参数下 Au≈- 500。
三 传感器放大相关问题
集成运放的全称是集成运算放大器这个名字来源于早期它 主要是用于模拟计算机的各种运算电路如比例、加、减、 乘、除、积分、微分等。集成运放大多是一个三级的直接 耦合放大器，能用于直流或交流放大。其内部结构主要由 三级构成。输入级均采用差分放大，中间级一般为单管共 射放大，输出级多采用互补推挽功放电路。因此，具有两 个输入端和一个输出端。集成运放通常采用对称的正、负 电源供电。 下面我们通过几个例子来说明运放电路设计中的一些 具体技巧问题。
去耦电容
在电路要求稳定性好、电网干扰较强以及印制板上电源引线过 长时，可如图 所示，在印制板上靠近运放正、负电源端对地 接 0.01～0.1μ 的去耦电容，以提高其抗扰性。
OP分析、设计及应用技巧
WHY
1：目前举办的各种电子竞赛选题中，相关的模拟电路部 分一般会首选运算放大器的应用问题；而扩展部分也必然 牵扯到集成运放的使用技巧和灵活运用。因而，相关集成 运放电路的设计技巧是我们应该关注的首要问题。
2：学习外围电路设计的基础和入门
OP 简介
“集成运放”，是采用半导体集成工艺制造的一种高增益、高 输入阻抗、高共模抑制比的多级直接祸合放大器。它通常至 少具有10万倍以上的放大倍数，兆欧级以上的输入电阻。其 内部电路相当复杂，一般包含几十甚至上百的元器件，其中 大部分是晶体管，还有少数电阻和个别小电容。这种器件在 应用上又具有“傻瓜”lC的特点，即不必透彻了解其内部电 路，只要“承认”它是一个高增益放大器，运用简单的计算 规则即可组成你所需要的应用电路，且只须简单调试即可正 常工作。
采用反相输入的优点是：运放不管有无输入信号，其两输入端 电位始终近似为零。两输入端之间只有 μV级的差动信号(或称 差分信号、差模信号 ) 。而在同相输入形式中，因 UIN+=UIN=Ui，在 Ui不为零时运放两输入端间除有极小的差模信号 （例 如UIN＋－UIN- =5.00001V－4.99999V=20μV） 外，还同 时 存 在 较 大 的 共 模 电 压 （ UlN++UIN- ） ／ 2= （ 5.00001V+4.99999V ）／ 2=5V 。集成运放虽有较高的共模抑 制能力，但其共模放大倍数总是大于零的，因此多少总会带来 一点误差，这是同相输入的缺点。 但本例要求放大器有较高的输入电阻和较大的放大倍数，如采 用反相输入形式，则RI和RF至少要取到100kΩ 和 50MΩ。而在 运放电路中，通常不希望使用这么大的电阻，因为哪怕是很微 小的干扰电流（如随温度而漂移的失调电流）流经大的电阻， 也会形成较大的干扰电压，并影响整个电路的工作精度。因 此，本例还是以取同相输入形式为好。
高精度电阻的温度系数也较小，通常在100p p m／℃以 下，这种电阻在温度每变化一度时，其阻值的相对变 化量小于其实际值的万分之一(100 ×10- 6=10- 4)。选 用低温度系数电阻可以减小放大器因温度变化而产生 的输出漂移。
比例器的基本电路虽然只有反相、同相输入两种，但 只要电路设计上稍加变化，就可以派生出千千万万各 具特色的电路来，这也是通用运放应用的巧妙和极具 魅力之处。
问题三：应如何选取RI、RF、RB的精度等级。在对放大 倍数要求不严格的应用场合，如一般音响电路的前置放大 级，选取Ⅰ级精度(士5％)已足够用，甚至49.9kΩ的电阻亦 可用51kΩ标称阻值代替。如果对放大倍数要求极严，例如 要求Au 的精度为士 1％，则 RI、RF至少应选士0.5％的精度 才能保证 Au 的精度要求。而且要查阅0.5％精度系列标称值 是否有你所需的计算阻值、如100Ω、49.9kΩ。如没有，可 在保证比例关系的基础上适当增大或减小RI、RF的阻值， 直至找出合适的标称系列值；或在相近阻值电阻中用欧姆 表挑选合适的阻值使用。
一 输入端电阻匹配
RB应有什么要求？
如果对比例放大器的精度和漂移指标都要求不高，即工作时 允许其放大倍数有微小变化的话，RB甚至可以省去不用使电 路更加简单。如果需要非常精密的比例放大、要求有极高的 精度和极小漂移的话，则应取RB=R1//RF。这是因为集成运 放的输入级都是左、右两边要求对称的差分放大电路。若两 输入端的输入电阻不对称，则在输入信号为零时相同的偏 置电流将在两支路形成不同的压降，即相当于在运放两输入 端加入一个人为的干扰信号。当环境温度变化致使，这个干 扰信号也将随温度而漂移、并导致放大器产生温漂或时漂。 因此，对高精度、低漂移的放大器，保证RB=R1//RF是非常 重要的。
在“理想”的（即两只RI、两只RF都绝对相等；运算放大器也 是 “理想”器件，具有真正的“虚短”、“虚断”特性）条件下 可得到所要求的关系。而通过实际测试就会发现，放大器对共 模信号的抑制能力并不是完美无缺的。在差模信号为零、仅仅 改变共模信号时，放大器的输出电压并不总是为零，而是随 UCM的变化而变化。这说明实际放大器对共模信号也有一定的 放大能力，即 AuCM≠0。我们通常就将该放大器对有用差模信 号的放大倍数AuD与对无用共模信号放大倍数AuCM的比值称 为共模抑制比(CMRR)，用来衡量这种放大器的优势。对图 所 示电路，若要提高其共模抑制能力，除应选用高共模抑制比的 集成运放外，选用严格对称的电阻是非常重要的。通常应选用 高精度电阻，必要时可采用挑选配对的办法以提高电阻的匹配 精度。 。
接口电路输入电阻过 上图 所示电路的另一个缺点是它的差模输入电阻 ri=2RI只 小
2kΩ（增大 RI虽能提高输入电阻，但随之增大的 RF 也是我 们所不希望的），而一般的电桥式传感器均有一定的内 阻，且其内阻会随环境温度而变。例如硅压阻式压力传感 器的电桥内阻约5～10kΩ，并有约 0.22％／℃的温度系，如 果与其接口的放大器输入电阻过小，对传感器的工作是 极为不利的，这是因为：
二电阻选择
假设需设计一交流放大器，要求放大倍数Au=500，输 入电阻 ri≥100kΩ。电路设计的第一步是方案选择，可 以采用反相，也可以采用同相输入。那么，用哪种更 好呢?（问题一）
如用反相输入，电路可如图 (a)所示。为保证输入电阻 ri=RI≥100kΩ，则 RI 至少取 100kΩ；为保证 Au=500，则应有 RF=500 ×RI=50MΩ。 且有 RB=RI∥RF=100kΩ∥50MΩ≈100kΩ。如采用同相输入，电路 可如图 9(b)所示。由于 同相输入阻抗近似无穷大，因此选多大的 RI和 RB都可以。 例如取 RI=1kΩ，则 RF=499kΩ 即可满足Au=500，RB 也近似取 1kΩ 即可。这两种方案有什么优缺点，各适用于什 么场合呢?
消除自激的方法一般是在电路的共射中间级上加一个很小的 补偿电容 C，如图 所示。不难看出，这实际上是以附加高频 负反馈来降低集成运放在高频段的增益，以使附加相移虽达 180°而变成正反馈时，其回路增益被降至小于 1。这样，即 使放大器在谐波干扰下出现正反馈振荡，因回路增益过小， 振荡无法维持，电路也就稳定了。
负反馈放大器为什么会和正反馈电路一样产生自激