原创 运算放大器基本电路大全2

2．5 模拟电感

图九的电路是一个对电容进行反向操作的电路，它用来模拟电感。电感会抵制电流的变化，所以当一个直流电平加到电感上时电流的上升是一个缓慢的过程，并且电感中电阻上的压降就显得尤为重要。

图九

电感会更加容易的让低频通过它，它的特性正好和电容相反，一个理想的电感是没有电阻的，它可以让直流电没有任何限制的通过，对频率是无穷大的信号有无穷大的阻抗。

如果直流电压突然通过电阻R1 加到运放的反相输入端上的时候，运放的输出将不会有任何的变化，因为这个电压同过电容C1 也同样加到了正相输出端上，运放的输出端表现出了很高的阻抗，就像一个真正的电感一样。

随着电容C1 不断的通过电阻R2 进行充电，R2上电压不断下降，运放通过电阻R1汲取电流。随着电容不断的充电，最后运放的两个输入脚和输出脚上的电压最终趋向于虚地(Vcc/2)。

当电容C1 完全被充满时，电阻R1 限制了流过的电流，这就表现出一个串连在电感中电阻。这个串连的电阻就限制了电感的Q 值。真正电感的直流电阻一般会比模拟的电感小的多。这有一些模拟电感的限制：

电感的一段连接在虚地上；
模拟电感的Q值无法做的很高，取决于串连的电阻R1；
模拟电感并不像真正的电感一样可以储存能量，真正的电感由于磁场的作用可以引起很高的反相尖峰电压，但是模拟电感的电压受限于运放输出电压的摆幅，所以响应的脉冲受限于电压的摆幅。

2．6 仪用放大器

仪用放大器用于需要对小电平信号直流信号进行放大的场合，他是由减法器拓扑而来的。仪用放大器利用了同相输入端高阻抗的优势。基本的仪用放大器如图十所示。

图十

这个电路是基本的仪用放大电路，其他的仪用放大器也如图中所示，这里的输入端也使用了单电源供电。这个电路实际上是一个单电源的应变仪。这个电路的缺点是需要完全相等的电阻，否则这个电路的共模抑制比将会很低。

图十中的电路可以简单的去掉三个电阻，就像图十一中的电路。

图十一

这个电路的增益非常好计算。但是这个电路也有一个缺点：那就是电路中的两个电阻必须一起更换，而且他们必须是等值的。另外还有一个缺点，第一级的运放没有产生任何有用的增益。

另外用两个运放也可以组成仪用放大器，就像图十二所示。

图十二

但是这个仪用放大器是不被推荐的，因为第一个运放的放大倍数小于一，所以他可能是不稳定的，而且Vin －上的信号要花费比Vin ＋上的信号更多的时间才能到达输出端。

这节非常深入地介绍了用运放组成的有源滤波器。在很多情况中，为了阻挡由于虚地引起的直流电平，在运放的输入端串入了电容。这个电容实际上是一个高通滤波器，在某种意义上说，像这样的单电源运放电路都有这样的电容。设计者必须确定这个电容的容量必须要比电路中的其他电容器的容量大100 倍以上。这样才可以保证电路的幅频特性不会受到这个输入电容的影响。如果这个滤波器同时还有放大作用，这个电容的容量最好是电路中其他电容容量的1000 倍以上。如果输入的信号早就包含了VCC/2 的直流偏置，这个电容就可以省略。

这些电路的输出都包含了VCC/2 的直流偏置，如果电路是最后一级，那么就必须串入输出电容。

这里有一个有关滤波器设计的协定，这里的滤波器均采用单电源供电的运放组成。滤波器的实现很简单，但是以下几点设计者必须注意：

1. 滤波器的拐点(中心)频率
2. 滤波器电路的增益
3. 带通滤波器和带阻滤波器的的Q值
4. 低通和高通滤波器的类型(Butterworth 、Chebyshev、Bessell)

不幸的是要得到一个完全理想的滤波器是无法用一个运放组成的。即使可能，由于各个元件之间的负杂互感而导致设计者要用非常复杂的计算才能完成滤波器的设计。通常对波形的控制要求越复杂就意味者需要更多的运放，这将根据设计者可以接受的最大畸变来决定。或者可以通过几次实验而最终确定下来。如果设计者希望用最少的元件来实现滤波器，那么就别无选择，只能使用传统的滤波器，通过计算就可以得到了。

3．1 一阶滤波器

一阶滤波器是最简单的电路，他们有20dB 每倍频的幅频特性

3．1．1 低通滤波器

典型的低通滤波器如图十三所示。

图十三

3．1．2 高通滤波器

典型的高通滤波器如图十四所示。

图十四

3．1．3 文氏滤波器

文氏滤波器对所有的频率都有相同的增益，但是它可以改变信号的相角，同时也用来做相角修正电路。图十五中的电路对频率是F 的信号有90 度的相移，对直流的相移是0度，对高频的相移是180度。

图十五

3．2 二阶滤波器

二阶滤波电路一般用他们的发明者命名。他们中的少数几个至今还在使用。有一些二阶滤波器的拓扑结构可以组成低通、高通、带通、带阻滤波器，有些则不行。这里没有列出所有的滤波器拓扑结构，只是将那些容易实现和便于调整的列了出来。

二阶滤波器有40dB 每倍频的幅频特性。

通常的同一个拓扑结构组成的带通和带阻滤波器使用相同的元件来调整他们的Q 值，而且他们使滤波器在Butterworth 和Chebyshev 滤波器之间变化。必须要知道只有Butterworth 滤波器可以准确的计算出拐点频率，Chebyshev 和Bessell滤波器只能在Butterworth 滤波器的基础上做一些微调。

我们通常用的带通和带阻滤波器有非常高的Q 值。如果需要实现一个很宽的带通或者带阻滤波器就需要用高通滤波器和低通滤波器串连起来。对于带通滤波器的通过特性将是这两个滤波器的交叠部分，对于带阻滤波器的通过特性将是这两个滤波器的不重叠部分。

这里没有介绍反相 Chebyshev 和 Elliptic 滤波器，因为他们已经不属于电路集需要介绍的范围了。

不是所有的滤波器都可以产生我们所设想的结果――比如说滤波器在阻带的最后衰减幅度在多反馈滤波器中的会比在Sallen－Key 滤波器中的大。由于这些特性超出了电路图集的介绍范围，请大家到教科书上去寻找每种电路各自的优缺点。不过这里介绍的电路在不是很特殊的情况下使用，其结果都是可以接受的。

3．2．1 Sallen－Key滤波器

Sallen-Key 滤波器是一种流行的、广泛应用的二阶滤波器。他的成本很低，仅需要一个运放和四个无源器件组成。但是换成Butterworth 或Chebyshev 滤波器就不可能这么容易的调整了。请设计者参看参考条目【1】和参考条目【2】，那里介绍了各种拓扑的细节。

这个电路是一个单位增益的电路，改变Sallen－Key 滤波器的增益同时就改变了滤波器的幅频特性和类型。实际上Sallen－Key 滤波器就是增益为1的Butterworth 滤波器。

图十六

3．2．2 多反馈滤波器

多反馈滤波器是一种通用，低成本以及容易实现的滤波器。不幸的是，设计时的计算有些复杂，在这里不作深入的介绍。请参看参考条目【1】中的对多反馈滤波器的细节介绍。如果需要的是一个单位增益的Butterworth 滤波器，那么这里的电路就可以给出一个近似的结果。

图十七

3．2．3 双T滤波器

双T 滤波器既可以用一个运放也可仪用两个运放实现。他是建立在三个电阻和三个电容组成的无源网络上的。这六个元件的匹配是临界的，但幸运的是这仍是一个常容易的过程，这个网络可以用同一值的电阻和同一值的电容组成。用图中的公式就可以同时的将R3 和C3 计算出来。应该尽量选用同一批的元件，他们有非常相近的特性。

3．2．3．1 单运放实现

图十八

如果用参数非常接近的元件组成带通滤波器，就很容易发生振荡。接到虚地的电阻最好在E－96 1％系列中选择，这样就可以破坏振荡条件。

图十九

3．2．3．2 双运放实现

典型的双运放如图20到图22所示

图二十

图二十一

图二十二