运放电路设计的黄金法则:8种经典电路拆解

一、虚短虚断的本质条件

运放的"虚短"(两个输入端电压相等)和"虚断"(输入端无电流流入)并不是无条件成立的。这两个特性仅在工作在线性区且存在深度负反馈时成立——这是所有电路分析的前提。例如在比较器电路中,运放处于开环状态,此时虚短特性就会完全失效。

​二、基础电路核心原理

  1. 反相放大器
    输入信号通过R2接入反相端,输出电压经R3负反馈。虚短特性使反相端电压为0V,虚断特性保证电流连续:
    Vin/R2 = -Vout/R3 → Vout = -(R3/R2)Vin
    该电路常用于传感器信号调理,输入阻抗由R2决定(典型值1-100kΩ)。

  2. 同相放大器
    信号直连同相端,R2/R3构成负反馈网络。虚短使反相端电压等于Vin:
    (Vout-Vin)/R3 = Vin/R2 → Vout = (1+R3/R2)Vin
    优势在于输入阻抗可达1GΩ(LM358实测数据),适合高阻抗信号源。

  3. 加法电路
    多路输入信号在反相端叠加。当R1=R2=R3时实现精确加法:
    Vout = -(V1 + V2)
    关键点:各输入通道的电阻精度需达0.1%,否则会产生通道间串扰。工业控制中常用此电路实现多传感器信号融合。

  4. 积分电路
    电容C1替代反馈电阻,形成时间相关响应:
    Vout = -(1/R2C1)∫Vin dt
    实际应用中需并联1MΩ电阻防止积分漂移,医疗设备心电信号处理常用此电路。

  5. 微分电路
    电容前置实现电压变化率检测:
    Vout = -R2C1(dVin/dt)
    必须注意高频噪声放大问题,通常在前端加10kΩ电阻和100pF电容组成低通滤波。

三、进阶应用电路
6. 差分放大电路
当R1=R3且R2=R4时:
Vout = (R2/R1)(V1-V2)
共模抑制比(CMRR)取决于电阻匹配度,采用0.1%精度电阻时CMRR可达80dB。工业现场4-20mA信号传输依赖此电路消除共模干扰。

  1. 电流检测电路
    0-20mA电流在采样电阻R1产生压降,通过两级运放实现精密转换:
    Vout = (0.88-4.4)V对应4-20mA输入
    关键设计:R5/R4比值决定放大倍数,需选用低温漂金属膜电阻。捷配PCB推荐采用4层板设计,隔离数字与模拟区域。

  2. 电压-电流转换
    利用三极管扩展输出能力:
    Iout = Vin/R6
    当R6=250Ω时,0-5V输入对应0-20mA输出。特别注意Q1的功耗计算,需保证β值大于100且Vce电压降不超过1V。

四、设计避坑指南

  1. 负反馈电阻不宜超过1MΩ,否则漏电流会导致零点漂移

  2. 单电源供电时需设置虚地电压(VCC/2),建议用TLE2426芯片生成

  3. 高速运放(如AD811)必须做阻抗匹配,传输线效应会引发振荡

  4. 多级电路级联时,每级增益建议控制在40dB以内

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