全国大学生电子设计竞赛（培训资料）运算放大器基本应用电路（双电源应用图集）

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集）丨侯长波编著 运算放大器基本应用电路（双电源应用图集） 1.1比例运算电路 将输入信号按比例放大的电路，简称为比例运算电路或比例电路。它由集成运放 和电阻组成深度负反馈电路来构成。根据输入信号所加到运放端口的不同，可划 分为反相输入、同相输入和差动输入等三种比例电路。 1.1.1反向比例运算电路 R R U;o R'=R1∥R 图1反向比例运算电路 反相比例电路如图1所示。由于输入信号，加在反相端， 故输出电压U。与U,反 相位。 电压放大倍数A为 公国大学生电子设计竞鞋 4= R 通过改变R和R的比例，可以改变A的大小。|A可以大于1、小于1或等于 1。（备注：考虑到运放工作的稳定性，一般增益都会大于等于1) ◆知识扩展： 1、R为偏置电流补偿电阻。一些类型运算放大器内部集成了偏置电流补偿电路，在实际使 用时就不需要电阻R,连接反而会造成输出偏移，可参看运算放大器数据手册。 2、R,为负反馈电阻，一般取值范围为1k2~1002,具体取值可参看数据手册推荐值。 ◆设计举例：使用运算放大器OPA227设计一个设计反向比例运算电路，电路 增益A,=10,记录OPA227各引脚的静态工作点。 ◆设计过程：根据OPA227数据手册可知补偿电阻R不需要，见数据手册P12 “INPUT BIAS CURRENT CANCELLATION”部分说明

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集） | 侯长波编著 运算放大器基本应用电路（双电源应用图集） 1.1 比例运算电路 将输入信号按比例放大的电路，简称为比例运算电路或比例电路。它由集成运放 和电阻组成深度负反馈电路来构成。根据输入信号所加到运放端口的不同，可划 分为反相输入、同相输入和差动输入等三种比例电路。 1.1.1 反向比例运算电路 图 1 反向比例运算电路 反相比例电路如图 1 所示。由于输入信号Ui 加在反相端，故输出电压Uo 与Ui 反 相位。 电压放大倍数 Au 为 R1 R U U A f i O u    通过改变 Rf 和 R1的比例，可以改变| Au |的大小。| Au |可以大于 1、小于 1 或等于 1。（备注：考虑到运放工作的稳定性，一般增益都会大于等于 1）  知识扩展： 1、 ' R 为偏置电流补偿电阻。一些类型运算放大器内部集成了偏置电流补偿电路，在实际使 用时就不需要电阻 ' R ，连接反而会造成输出偏移，可参看运算放大器数据手册。 2、 Rf 为负反馈电阻，一般取值范围为 1 k~100 k ，具体取值可参看数据手册推荐值。  设计举例：使用运算放大器 OPA227 设计一个设计反向比例运算电路，电路 增益 Au  10，记录 OPA227 各引脚的静态工作点。  设计过程：根据 OPA227 数据手册可知补偿电阻 ' R 不需要，见数据手册 P12 “INPUT BIAS CURRENT CANCELLATION”部分说明

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集）丨侯长波编著 Conventional Op Amp Configuration R R 0 W Op Amp Not recommended for OPA227 Ra=R2llR Extemal Cancellation Resistor Recommended OPA227 Configuration R2 OPA227 + No cancellation resistor. See text. 由增益关系式计算电阻取值过程心人家0 则R=1k,电路图如下图所 N 示 学生电子设计亮 C2 =10u OPA227P Tektronix oscilloscope-XSC1 Function generator-XFG1 Tektronix TDs2024925 Waveforms EE nun 20 Signal options R2 Frequency: 1 H Duty cycle: /50 Amplitude: 100 mVp BEBEE Offset: Set rise/Fall time Common 1.1.2同向比例运算电路

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集） | 侯长波编著 由增益关系式计算电阻取值过程如下，取 Rf =10k，则 R1 =1k，电路图如下图所 示。 1.1.2 同向比例运算电路

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集）「侯长波编著 R R 图2同向比例运算电路 同相比例电路如图2所示。输入信号U,加到同相输入端，输出电压U。与输入电压U,同相 位。 电压放大倍数A为 二1+ A.-U. R ◆设计举例：使用运算放大器OPA227设计一个设计同向比例运算电路，电路 增益A,=10,记录OPA227各引脚的静态工作点，并采用设计完成的电路测 量OPA227的增益带宽积GBW和压摆率SR。 ◆设计过程 000 ）根据片手研政参 al U Co (2)由公式A= U。1+ 荀得R1ik, Desig 取标称值1.1k: R 电路图如下图所示。 vcc 12.0V XFG1. OPA227P R1 Tektronix oscilloscope-XSC1 1.1k0 Tektronix TDS 2024 Function generator-XFG1 Waveforms C3 C4 VEE 0.1uF Signal options -12.0 Frequency:1 Duty cyce:50 % R2 BESESE Ampltude:100 mVp Offset: 0 10ko Set rise/Fall time

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集） | 侯长波编著 图 2 同向比例运算电路 同相比例电路如图 2 所示。输入信号Ui 加到同相输入端，输出电压Uo 与输入电压Ui 同相 位。 电压放大倍数 Au 为 1 1 R R U U A o f u      设计举例：使用运算放大器 OPA227 设计一个设计同向比例运算电路，电路 增益 Au  10，记录 OPA227 各引脚的静态工作点，并采用设计完成的电路测 量 OPA227 的增益带宽积GBW 和压摆率 SR 。  设计过程 （1）根据芯片手册取 Rf =10k； （2）由公式 1 1 R R U U A o f u     可得 R1=1.11k，取标称值 1.1k； 电路图如下图所示

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集）「侯长波编著 下面基于上图来测量OPA227的增益带宽积和压摆率技术指标。 (1)压摆率SR测试 输入低频方波，频率约100Hz,这种方波会在输出端导致全电压摆幅，用示波器 测量输出信号，注意为了清楚观看上升沿信号，需拉伸示波器的水平时间轴。测 量示意图如下图。 12.0 c OPA227P Tektronix oscilloscope-XSC1 Function generator-XFG1 Tektronix TDS 2024 Waveforms Signal option Frequency: 100 Duty cycle: 50 % Amplitude: 100 mVp Offset: Set rise/Fall time Common tm 选线性度较好的一段，使用示波器测量幅度和时间的变化量， 如下图所示。 Tektronix oscilloscope-XSC1 、大学牛 Tektronix TD52024 Time 5 VOLTSDIV VOLTS/OI M200 IV 由上图可知，SR= =2.16V/s,与数据手册提供的2.3/s吻合。 463ns (2)增益带宽积GBW测试 测试方案：改变信号源的输出频率，测量运算放大器输出信号的幅度，由运算放大器输出幅 度和信号源输出幅度，可以计算出在不同频率时放大电路的增益，进而可以得出电路的幅频 特性，由幅频特性即可得出运放的增益带宽积指标。注意，在测量增益带宽积时，一定要保 证运放不会由于压摆率受限处于非线性性失真

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集） | 侯长波编著 下面基于上图来测量 OPA227 的增益带宽积和压摆率技术指标。 （1）压摆率 SR 测试 输入低频方波，频率约 100Hz，这种方波会在输出端导致全电压摆幅，用示波器 测量输出信号，注意为了清楚观看上升沿信号，需拉伸示波器的水平时间轴。测 量示意图如下图。 选线性度较好的一段，使用示波器测量幅度和时间的变化量，如下图所示。 由上图可知， V us ns V SR 2.16 / 463 1   ，与数据手册提供的2.3V / us 吻合。 （2）增益带宽积GBW 测试 测试方案：改变信号源的输出频率，测量运算放大器输出信号的幅度，由运算放大器输出幅 度和信号源输出幅度，可以计算出在不同频率时放大电路的增益，进而可以得出电路的幅频 特性，由幅频特性即可得出运放的增益带宽积指标。注意，在测量增益带宽积时，一定要保 证运放不会由于压摆率受限处于非线性性失真

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集）丨侯长波编著 对于本测试电路，电路增益为10，查阅OPA227数据手册可知OPA227的增益带宽积为 8MHz,因此估算在增益为10时，-3dB带宽为800kHz左右，需要保证输出信号在800kHz 时不出现压摆率受限的失真，则输入信号幅度Un×10×2π×800kHz≤2.3P/s,则 Um≤45.75mV,选择输入信号Um≤40mV(峰值)。记录如下序列信号： 输入信号频率为1Hz时， xse 12.0 U1. Tektronix oscilloscope-XSC1 Function generator-XFG1 Tektronix T0520245 Waveforms 120 Signal options Frequency:1 k Duty cycle: 50 % Amplitude: 40 mVp Offset: 0 Set nse/fall time Common CH1/18.3W 险 输入信号频率为100kHz时， 7之泛 Und 12.0V C1- n 0.1uF U1 OPA227P R1 Tektronix oscilloscope-XSC1 1k0 Function generator-XFG1 Tektronix TDS 2024 Waveforms C3 C4 VEE 0.1uF 10 Signal options 12.0V Frequency:100 H Duty cycle:50 Amplitude: 0 mVp R2 Offset: 0 9.1kQ Set rige/Fall time Common 8 输入信号频率为500kHz时

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集） | 侯长波编著 对于本测试电路，电路增益为 10，查阅 OPA227 数据手册可知 OPA227 的增益带宽积为 8MHz，因此估算在增益为 10 时，-3dB 带宽为 800kHz 左右，需要保证输出信号在 800kHz 时不出现压摆率受限的失真，则输入信号幅度U kHz V us in 10 2 800  2.3 / ，则 Uin  45.75mV ，选择输入信号Uin  40mV （峰值）。记录如下序列信号： 输入信号频率为 1kHz 时， 输入信号频率为 100kHz 时， 输入信号频率为 500kHz 时

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集）「侯长波编著 12.0y c1: C2 三tou5 U1 OPA227P Tektronix oscilloscope-XSC1 Function generator-XFG1 X Tektronix TDS 2024c Waveforms VEE 20V Signal options Frequency: 500 H Duty cycle: 50 % Amplitude: 40 话 mVp Offset: Set rise/Fall time Common 输入信号频率为750kHz时， 12.0V X:G1 Tektronix oscilloscope-XSC1 Function generator-XFG1 学生由子 ktronix TDS2024 Waveforms VEE 12.0v Signal options Frequency:750 kHz Duty cycle: 50 % SBEEE Amplitude: 40 mVp Offset: 0 Set rise/Fall time Common 因此测得的增益带宽积大小为7.5MHz。 1.1.3电压跟随器电路 + R=R 图3电压跟随器电路

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集） | 侯长波编著 输入信号频率为 750kHz 时， 因此测得的增益带宽积大小为 7.5MHz。 1.1.3 电压跟随器电路 图 3 电压跟随器电路

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集）丨侯长波编著 当断开同向比例运算电路的R时，电路图如图3所示，此时电路的电压放大倍数A,=1。 该电路通常用作阻抗转换或隔离缓冲级。 ◆知识扩展： 1、R和R,不影响电路的增益，因此简单处理可以直接短路。在实际电路中，R和R,可 取50500范围内的电阻值。 ◆设计举例：使用运算放大器OPA227设计一个设计电压跟随器电路，记录 OPA227各引脚的静态工作点，并采用设计完成的电路测量OPA227的增益 带宽积GBW和压摆率SR。 ◆设计过程 电路图如下图所示。 VCC 20 PA227 Function generator-XFG1 Tektronix oscilloscope-XSC1 Waveforms 入入- Signal options Frequency: 1 H柜 Duty cycle: 150 Amplitude:100 mVp Offset: 0 Set rise/Fall time Common 国学生子没 graduatescdo 1.2加减运算电路 1.2.1反向求和运算电路 U1 R R oUo U30 图4反向求和运算电路 反相加法电路是指多个输入电压同时加到集成运放的反相输入端。图3为三个输入信号

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集） | 侯长波编著 当断开同向比例运算电路的 R1 时，电路图如图 3 所示，此时电路的电压放大倍数 Au  1。 该电路通常用作阻抗转换或隔离缓冲级。  知识扩展： 1、 ' R 和 Rf 不影响电路的增益，因此简单处理可以直接短路。在实际电路中， ' R 和 Rf 可 取 50~500 范围内的电阻值。  设计举例：使用运算放大器 OPA227 设计一个设计电压跟随器电路，记录 OPA227 各引脚的静态工作点，并采用设计完成的电路测量 OPA227 的增益 带宽积GBW 和压摆率 SR 。  设计过程 电路图如下图所示。 1.2 加减运算电路 1.2.1 反向求和运算电路 图 4 反向求和运算电路 反相加法电路是指多个输入电压同时加到集成运放的反相输入端。图 3 为三个输入信号

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集）丨侯长波编著 (代表三个变量)的反相加法电路。R=R∥R2∥R3∥R,。运用虚短、虚断和虚地的概 念，由电路可得 U。U时 R R RU 若R1=R2=R3=R,上式可变为 U.=-Un+Ua+Uo ◆ 设计举例：设计一个反向求和加法器，输入信号为频率1kHz,幅度为1V的 正弦波和1V的直流信号，增益为5。关系式为y=-5×cos(2×π×1kz×)+1] ◆设计过程： (1)取R=10k: (2)令R1=R=R则U。=- (W1+U)可得R=R=R-2k: R 电路图如下图所示。 VCC R1 学生电子设ron oillsope-XC1 53124 VEE. 8e6 12.0V Function generator-XFG1 Waveforms Signal options Frequency: Duty cycle: 50 % Amplitude: 1 Vp CH1/4.02V Offset: Set rise/Fall time Common ⊙ 1.2.2同向求和运算电路

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集） | 侯长波编著 (代表三个变量)的反相加法电路。 R R R R Rf // // // 1 2 3 '  。运用虚短、虚断和虚地的概 念，由电路可得 ( ) 3 3 2 2 1 1 i f i f i f o U R R U R R U R R U     若 R1=R2=R3=R ，上式可变为 ( ) i1 i2 i3 f o U U U R R U      设计举例：设计一个反向求和加法器，输入信号为频率 1kHz，幅度为 1V 的 正弦波和 1V 的直流信号，增益为 5。关系式为 y  -5  cos2   1kHz  t  1  设计过程： （1） 取 Rf=10k； （2） 令 R1=R2=R 则 ( i1 i 2 ) f o U U R R U    可得 R1=R2=R=2k； 电路图如下图所示。 1.2.2 同向求和运算电路

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集）丨侯长波编著 uo 图5同向求和运算电路 如果将各输入电压同时加到集成运放的同相输入端，称为同相加法电路。图5表示有三个输 入量的同相加法电路。 U U.=Te RR +2+U RR Rn=R∥R P。=R∥R∥R∥R 在R,严格等于R的条件下，图3电路的输出电压与输入电压的关系为 +子设 =R B.RoradRse Eloctronic Desian 如果调整某一路信号的电阻(R1、R2、R)的阻值，则必须改变电阻R的阻值，以使R,严格 等于R,。由于常常需反复调节才能将参数值最后确定，估算和调试的过程比较麻烦。所以， 在实际工作中，不如反相电路应用广泛。 ◆设计举例：设计一个同向求和加法器，输入信号为频率1kHz,幅度为1V的 正弦波和1V的直流信号，增益为5。关系式为y=5×cos(2×π×1k×t)+1: ◆设计过程： (1)取R=10k: (2)由增益为5，可计算R1=R2=2k: (3)由于需选取电阻R和R,使R。=Rn,可选R4=10k,则R=1k。 电路图如下图所示

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集） | 侯长波编著 图 5 同向求和运算电路 如果将各输入电压同时加到集成运放的同相输入端，称为同相加法电路。图 5 表示有三个输 入量的同相加法电路。 ( ) 3 3 2 2 1 1 R U R U R U R R R U i i i f n p o    Rn R Rf  // 1 2 3 4 Rp  R // R // R // R 在 Rp 严格等于 Rn 的条件下，图 5 电路的输出电压与输入电压的关系为 Uo  ( ) 3 3 2 2 1 1 R U R U R U R i i i f   如果调整某一路信号的电阻(R1、R2、R3)的阻值，则必须改变电阻 R 的阻值，以使 Rp 严格 等于 Rn 。由于常常需反复调节才能将参数值最后确定，估算和调试的过程比较麻烦。所以， 在实际工作中，不如反相电路应用广泛。  设计举例：设计一个同向求和加法器，输入信号为频率 1kHz，幅度为 1V 的 正弦波和 1V 的直流信号，增益为 5。关系式为 y  5cos2 1kHz t1。  设计过程： （1）取 Rf=10k； （2）由增益为 5，可计算 R1=R2= 2k； （3）由于需选取电阻 R4 和 R ，使 Rp  Rn ，可选 R4= 10k，则 R= 1k。 电路图如下图所示

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集）丨侯长波编著 xsc1! 12.0w U1, OPA227P Tektronix oscilloscope-XSC1 Function generator-XFG1 Tektronix T52024 nn 12.0W signal options Frequency:1 kHz Duty cycle:50 Amplitude:1 0 Set rise/Fall time CH/4.0 1.2.3差分比例运算电路 R U 学电宇 计 图5差分比例运算电路 输出电压为 U。=1+ 1E RR+R U 当满足匹配条件（电路对称）即R=R，R=R,时，则 R1U2-Un),A.三Ue-Un-R U。= U。Ry R 若四个外接电阻全相等，即R=R=R,=R,,则有 U。=U2-Ua 可以看出，四只电阻全相同的差动比例电路可作减法运算。该电路结构简单，缺点是输入电 阻低，对元件的对称性要求比较高。如果元件失配，不仅在计算中会带来附加误差，而且将 产生共模电压输出，同时输出电压调节也不方便。 ◆设计举例：设计一个差分比例运算电路，输入信号为频率1kHz,幅度为1V

运算放大器电路设计技术手册（双电源应用图集） | 侯长波编著 1.2.3 差分比例运算电路 图 5 差分比例运算电路 输出电压为 1 1 ' ' 2 1 ' 1 (1 ) i f i f f f o U R R U R R R R R U     当满足匹配条件(电路对称)即 1 ' R1  R ， Rf  Rf ' 时，则 ( ) 2 1 1 i i f o U U R R U   , 2 1 R1 R U U U A f i i o u    若四个外接电阻全相等，即 R  R  Rf  Rf ' 1 ' 1 ，则有 Uo  Ui2 Ui1 可以看出，四只电阻全相同的差动比例电路可作减法运算。该电路结构简单，缺点是输入电 阻低，对元件的对称性要求比较高。如果元件失配，不仅在计算中会带来附加误差，而且将 产生共模电压输出，同时输出电压调节也不方便。  设计举例：设计一个差分比例运算电路，输入信号为频率 1kHz，幅度为 1V