在電子電路領(lǐng)域，運算放大器（簡稱運放）是一種用途極為廣泛的器件。它接入適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)后，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器、振蕩器及電壓比較器等。對于運放的基本分析方法，主要是虛斷和虛短。當(dāng)面對不熟悉的運放應(yīng)用電路時，運用這兩種基本分析方法是解決問題的關(guān)鍵。下面，我們將通過詳細(xì)的圖文，深入解析 7 大運放經(jīng)典電路。

運放在有源濾波中的應(yīng)用

上圖展示的是典型的有源濾波電路（賽倫 - 凱電路，屬于巴特沃茲電路的一種）。有源濾波具有顯著優(yōu)勢，它能讓大于截止頻率的信號更快速地衰減，并且對電容、電阻的要求相對較低。該電路的設(shè)計要點在于，在滿足合適的截止頻率的條件下，應(yīng)盡可能使 R233 和 R230 的阻值一致，C50 和 C201 的容量大小相同（當(dāng)兩級 RC 電路的電阻、電容值相等時，即為賽倫凱電路）。這樣做可以在保證濾波性能的同時，將器件的種類歸一化。其中，電阻 R280 的作用是防止輸入懸空，避免運放輸出異常。

常見的 3 種二階有源低通濾波電路包括：巴特沃茲電路，其特點是單調(diào)下降，曲線平坦最平滑；切比雪夫電路，信號能迅速衰減，但通帶中有紋波；貝塞爾（橢圓）電路，相移與頻率成正比，群延時基本恒定。在巴特沃茲低通濾波中，賽倫凱樂電路應(yīng)用最為廣泛。對于一個濾波器，我們需要明確其截止頻率，或者能夠?qū)懗鰝鬟f函數(shù)和頻率響應(yīng)。如果該濾波器還具備放大功能，還需了解其增益大小。

當(dāng)兩級 RC 電路的電阻、電容值相等時，引入一個負(fù)反饋，目的是使輸出電壓在高頻率段迅速下降。二階有源低通濾波電路的通帶放大倍數(shù)為 1 + Rf/R1 ，這與一階低通濾波電路相同。

其截止頻率的計算需要根據(jù)具體的電路參數(shù)進(jìn)行，經(jīng)過計算得出相應(yīng)的截止頻率值。





注明，m 的單位為歐姆，N 的單位為 u。

運放在電壓比較器中的應(yīng)用

上圖是一個典型的信號轉(zhuǎn)換電路，它能將輸入的交流信號，通過比較器 LM393，轉(zhuǎn)化為同頻率的方波信號（存在反相情況，可通過軟件處理）。該電路在交流信號測頻中有著廣泛的應(yīng)用，實際上它是過零比較器和深度放大電路的結(jié)合。通過將輸出進(jìn)行（1 + R292/R273）倍的放大，放大倍數(shù)越高，方波的上升邊緣就越陡峭。此外，該電路中 R275 的阻值非常關(guān)鍵，它決定了方波的上升速度。

恒流源電路的設(shè)計

恒流原理分析過程如下：U5B（上圖中下邊的運放）為電壓跟隨器，所以 V1 = V4；根據(jù)運算放大器的虛短原理，對于運放 U4A（上圖中上邊的運放）有 V3 = V5。

通過以上等式組合運算可得：

當(dāng)參考電壓 Vref 固定為 1.8V 時，電阻 R30 為 3.6，電流恒定輸出 0.5mA。該恒流源電路可以設(shè)計出其他電流的恒流源，基本思路是所有電阻都采用高精度電阻，且阻值一致，用輸入的參考電壓（使用專門的參考電壓芯片）比上阻值，即可獲得輸出電流。但在實際使用中，為保護(hù)恒流源電路，通常會在輸出端串一只二極管和一只電阻，這樣既能防止外界干擾進(jìn)入恒流源電路導(dǎo)致?lián)p壞，又能避免外界負(fù)載短路時對恒流源電路造成損害。

整流電路中的應(yīng)用

上述電路是一個整流電路，它能將輸入的一定頻率的脈沖整流成固定的電平電壓，再用此電壓控制 4 - 20mA 電流的輸出電流，其功能類似于一些 DAC 功能的接口。

熱電阻測量電路

上圖的電路是典型的熱電阻 / 電偶的測量電路，其測量思路為：將 1 - 10mA 的恒流源加于負(fù)載，負(fù)載上會產(chǎn)生一定的電壓，對該電壓進(jìn)行有源濾波處理，然后進(jìn)行信號的調(diào)整（信號放大或衰減），最后將信號送入 ADC 接口。該電路應(yīng)用時，要注意在輸入端施加保護(hù)，可以并聯(lián) TVS，但需注意節(jié)電容對測量精度的影響。在一些低成本場合，上述電路圖可簡化為如下電路。

電壓跟隨器

在運放的使用中，電壓跟隨器是一種常見的應(yīng)用。該電路具有兩大好處：一是減小負(fù)載對信號源的影響；二是提高信號帶負(fù)載的能力。

上圖運用運放實現(xiàn)了電阻分壓的功能，先通過電阻獲得需要輸出的電壓，然后用運放對該電壓進(jìn)行跟隨，從而提高其輸出能力。

單電源的應(yīng)用

在運放的實際使用中，為保持運放的頻率特性，通常采用雙電源供電。但在某些情況下，只有單電源時，也能實現(xiàn)運放的正常工作。首先，運用運放跟隨電路，實現(xiàn)一個 VCC/2 的分壓。

當(dāng)然，如果對要求不是很高的場合，可以直接使用電阻分壓獲得 +VCC/2，但由于電阻分壓的特性，其動態(tài)的響應(yīng)速度會非常慢，使用時需謹(jǐn)慎。獲得 +VCC/2 后，就可以用單電源實現(xiàn)信號放大功能，如下圖所示。

該電路中 R66 = R67//R68，信號的輸出增益 G = -R67/R68 。具體應(yīng)用如下圖：運放為單 +5V_AD 供電，AD 芯片的電壓是 3.3V（通過基準(zhǔn)電壓芯片 REF3033 得到），該 3.3V 再經(jīng)過電阻分壓和運放跟隨后得到 1.65V，給到運放的同相輸入端。

附：運放的應(yīng)用要點

通過對以上 7 大運放經(jīng)典電路的詳細(xì)解析，我們可以更深入地理解運放的工作原理和應(yīng)用場景，為電子電路的設(shè)計和調(diào)試提供有力的支持。