运放电路在设计中的技巧问题

　　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。下面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。

　　[例1]假设需设计一交流放大器，要求放大倍数ALJ=500，输入电阻r．≥100kQ。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?
　　
　　如用反相输入，电路可如下图(a)所示。为保证输入电阻r=RI≥100kΩ。则Rl至少取。lOOkΩ；为保证AU=500，则应有RF=500×R1=50MΩ。且有RB=R1∥RF=100kΩ∥50MΩ一≈100kΩ。
　　
　　如采用同相输入，电路可如下图(b)所示。由于同相输入阻抗近似无穷大，因此选多大的R．和R。
　　
　　都可以。例如取R1=1kΩ，则Rf=499kΩ即可满足AU=500，R8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?
　　
　　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uV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UN十=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+一Uin一=5．00001V一4．99999V=20uV）外，还同时存在较大的共模电压(UIN+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R．和R，至少要取到100kQ和50MQ。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。

　　第二个常引起初学者困惑的问题是：取R=1kQ、RF=499kQ或是Rl=1Q、RF=499Q；R1=lOOkQ、Rf=49.9MQ都能保证放大倍数Au=500。
　　
　　那么R1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?
　　
　　答案也是否定的。从减小偏置电流、失调电流及其漂移所造成的误差来看，RI，RF。取小些好。但在电路中R、R，同时也是放大器的负载，当输出电压不为零时，运放输出端除向负载提供电流外，也同时向Rf支路提供电流。例如，若取Rf+R1=500欧，则当输出电压Uo=10V时，就将有20mA的电流自运放流入RF，R1，而集成运放的最大输出电流通常只有士10mA左右。过重的负载不仅会使运放提前进入饱和，输出动态范围减小，还可能使管耗增大、发热，甚至造成器件的损坏。因此R1和RF。的阻值既不宜过大，也不宜过小。在适当的阻值范围内，R1、RF，取大一些、小一些均无所谓，只要其比例关系符合要求。例如取100Ω、49．9kΩ；1kΩ、499kΩ等均可。
　　
　　第三个需要解决的问题是：应如何选取R1、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49.9kΩQ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O．5％的精度才能保证Au的精度要求。而且要查阅O．5％精度系列标称值是否有你所需的计算阻值、如100Q、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。
　　
　　高精度电阻的温度系数也较小，通常在100pprn／℃(ppm表示某个数值的百万分之一、即10m)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、同相输入两砷，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。

　　(例2)假设需要一个增益为500，输入电阻≥lOOkΩ的直流放大器，且要求输入、输出反相(输入电压为正值时、输出电压为负)。这里当然应该取反相输入方式。那么，如何解决反馈电阻高达50MΩ的问题呢?大家不妨看看下图所示电路。它巧妙地解决了这个难题。
　　
　　下图电路中反馈电阻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<<R，。由“虚短”、“虚断”不难分析出Ii=Ui/100kΩ=If。并有UA=UI。由A点可列出节点电流方程11+if=12及11=(0一UA)/R1=Ui/100欧，故12=(Ui/100欧)+(Ui/lOOkΩ)≈Ui/100Ω。
　　
　　由此可求出：Uo=UA一12R2=一Ui一(Ui/100欧)49.9kQ=一500Ui．即下图电路的放大倍数Au≈-(RF/RI)(R1+R2)/R1，在图示参数下Au≈一500。计算中略去Ii，虽会造成误差，但因Rf>>R1。If在本例中仅为Ii的千分之一，故这种近似通常是能容许的。若不想略去lf，也可计算出精确的R1、R2分压值，并通过可变电阻精确调出所需的增益。

　　此例中如需输出、输入同相．可采用同相输入方式如下图所示。读者不妨自行推导其电压放大倍数表达式，并分析下图(a)、(b)电路的优缺点。如果让你选择的话。你更喜欢哪一个，为什么?
　　
　　在前面所举例子中．输入信号都是单端对地的信号。而实际应用中常常会碰到来自电桥的差动信号，如各种硅压阻式压力传感器、各种热敏电阻组成的测温电桥等，示意图如右图所示。这种信号源的特点是：它有两个都不接地的输出端，当电桥平衡．即无信号时，有UA=UR≠O；而当压力或温度变化时，电桥不平衡，使UA≠UB这里真正有用的信号是UA和UB之间的微小差值，即UI。=UA-UB，称为差模信号，我们又常把UA和UB的平均值，即UcM=(UA+UB)/2称为共模信号。例如大量使用的硅压阻式压力传感器的共模电压一般为3～5V，而差模信号U，只有10～150rnV，我们希望放大器只放大有用的微弱差模信号、又能抑制很大的无用共模信号。

　　[例3]已知压力传感器在零信号时有

　　以上计算说明下图电路在放大差模信号的同时抑制了共模信号。上述结论的推出，是下图电路在“理想”的(即两只Ra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)条件下得到的。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Aucn≠0。我们通常就将该放大器对有用差模信号的放大倍数Au。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。对下图所示电路，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。
　　
　　下图所示电路的另一个缺点是它的差模输入电阻r=2R.只有2kΩ(增大R.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o 22％／℃的温度系数。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：

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