模拟工程师电路设计指导手册：运算放大器①
编者按：TI（德州仪器）特别感谢以下人员在技术方面的贡献：Tim Claycomb，Mamadou Diallo，Peter Iliya，Zak Kaye，Errol Leon，Marc Liu，Masashi Miyagawa，Gustaf Falk，Olson Bala Ravi，Takahiro Saito，Will Wang
设计说明
该设计以 10V/V 的信号增益对输入信号 Vi 进行放大。输入信号可能来自高阻抗源（例如 MΩ 级），因为该 电路的输入阻抗由运算放大器的极高输入阻抗（例如 GΩ 级）决定。同相放大器的共模电压等于输入信号。
设计说明
1. 使用运算放大器线性输出运行范围，通常在 AOL 测试条件下指定该范围。共模电压等于共模信号。
2. 该电路的输入阻抗等于放大器的输入阻抗。
3. 使用高值电阻器可能会减小电路的相位裕度并在电路中引入额外的噪声。
4. 避免将电容负载直接放置在放大器的输出端，以最大程度地减少稳定性问题。
5. 同相放大器的小信号带宽取决于电路的增益和放大器的增益带宽积 (GBP)。可以通过添加与 R1 并联的电 容器来完成额外的滤波。如果使用了高值电阻器，那么添加与 R1 并联的电容器还将提高电路的稳定性。
6. 信号性能可能会受到压摆率的限制。因此，应检查数据表中的最大输出摆幅与频率间的关系图，以最 大程度地减小转换导致的失真。
7. 有关运算放大器线性运行区域、稳定性、转换导致的失真、电容负载驱动、驱动 ADC 和带宽的更多信 息，请参阅设计参考 部分。
设计步骤
下面给出了该电路的传递函数。
1. 计算增益。
2. 计算 R1 和 R2 的值。
3. 计算最大程度地降低转换导致的失真所需的最小压摆率。
• OPA171 的压摆率是 1.5V/µs，因此它满足该要求。
4. 为了保持足够的相位裕度，确保器件的增益设置电阻器和输入电容创建的零点大于电路的带宽。
• Ccm 和 Cdiff 分别是 OPA171 的共模和差分输入电容。
• 由于零点频率大于此电路的带宽，因此不满足该要求。
设计仿真
直流仿真结果
交流仿真结果
设计说明
此设计对两个输入信号 Vi1 和 Vi2 求和（相加），并将其进行反转。输入信号通常来自低阻抗源，因为该电路的输入阻抗由输入电阻器 R1 和 R2 决定。反相放大器的共模电压等于连接到同相节点的电压，该节点在该设计中接地。
设计说明
1、在线性运行区域内使用运算放大器。通常在 AOL 测试条件下指定线性输出摆幅。该电路中的共模电压不 随输入电压的变化而变化。
2、输入阻抗由输入电阻器决定。确保这些值大于阻抗源的输出阻抗。
3、使用高值电阻器可能会减小电路的相位裕度并在电路中引入额外的噪声。
4、避免将电容负载直接放置在放大器的输出端，以最大程度地减少稳定性问题。
5、小信号带宽由噪声增益（或同相增益）和运算放大器增益带宽积 (GBP) 决定。可以通过添加一个与 R3 并联的电容器来完成额外的滤波。如果使用了高阻值电阻器，那么添加一个与 R3 并联的电容器还将提高 电路的稳定性。
6、大信号性能可能会受到压摆率的限制。因此，应检查数据表中的最大输出摆幅与频率间的关系图，以最 大程度地减小转换导致的失真。
7、有关运算放大器线性运行区域、稳定性、转换导致的失真、电容负载驱动、驱动 ADC 和带宽的更多信息，请参阅设计参考部分。
设计步骤
下面给出了该电路的传递函数。
1. 为 R3 选择一个合理的电阻值。
R3=20kΩ
2. 计算 Vi1 所需的增益。对于该设计，输出摆幅的一半可用于每个输入。
3. 计算 R1 的值。
4. 计算 Vi2 所需的增益。对于该设计，输出摆幅的一半可用于每个输入。
5. 计算 R2 的值。
6. 计算小信号电路带宽，以确保它满足 10kHz 要求。确保使用电路的噪声增益 (NG) 或同相增益。在计算 噪声增益时，请注意，R1 和 R2 是并联的。
• 由于闭环带宽是 102kHz，而设计的目标是 10kHz，因此，满足该要求。
7. 计算最小压摆率，以最大限度地降低转换导致的失真。
• SROPA170=0.4V/µs，因此它满足该要求。
8. 为了避免稳定性问题，确保器件的增益设置电阻器和输入电容创建的零点大于电路的带宽。
• Ccm 和 Cdiff 分别是共模和差分输入电容。
• 由于零点频率大于此电路的带宽，因此不满足该要求。
设计仿真
直流仿真结果
该仿真会将 Vi1 从 –2.5V 快速改变至 2.5V，同时 Vi2 则恒定保持在 0V。输出则被反转，范围在 –2.44V 至 2.44V 之间。
该仿真会将 Vi2 从 –250mV 快速改变至 250mV，同时 Vi1 则恒定保持在 0V。输出则被反转，范围在 –2.44V 至 2.44V 之间。
交流仿真结果
该仿真展示了电路的带宽。注意，两个输入的带宽是相同的。这是因为决定带宽的是电路的噪声增益，而不 是各个输入的信号增益。这些结果与计算得到的值十分相符。
瞬态仿真结果
该仿真显示了两个输入信号的反转和求和。Vi1 是一个 1kHz 5Vpp 的正弦波，Vi2 则是一个 10kHz 500mVpp 的正弦波。由于两个输入均被适当放大或衰减，因此输出在规格之内。
设计目标
设计说明
该设计输入 Vi1 和 Vi2 两个信号并输出它们的差值（减法）。输入信号通常来自低阻抗源，因为该电路的输 入阻抗由电阻网络决定。通常使用差分放大器来放大差分输入信号并抑制共模电压。共模电压是两个输入共 用的电压。差分放大器抑制共模信号功能的有效性称为共模抑制比 (CMRR)。差分放大器的 CMRR 取决于 电阻器的容差。
设计说明
1. 在线性运行区域内使用运算放大器。确保运算放大器的输入不超过器件的共模范围。通常在 AOL 测试条 件下指定线性输出摆幅。
2. 输入阻抗由输入电阻网络决定。确保这些值相对于电源的输出阻抗而言较大。
3. 使用高值电阻器可能会减小电路的相位裕度并在电路中引入额外的噪声。
4. 避免将电容负载直接放置在放大器的输出端，以最大程度地减少稳定性问题。
5. 小信号带宽由噪声增益（或同相增益）和运算放大器增益带宽积 (GBP) 决定。可以通过添加与 R3 和 R4并联的电容器来完成额外的滤波。如果使用了高值电阻器，那么添加与 R3 和 R4 并联的电容器还将提高 电路的稳定性。
6. 大信号性能可能会受到压摆率的限制。因此，应检查数据表中的最大输出摆幅与频率间的关系图，以最 大程度地减小转换导致的失真。
7. 有关运算放大器线性运行区域、稳定性、转换导致的失真、电容负载驱动、驱动 ADC 和带宽的更多信 息，请参阅设计参考 部分。
设计步骤
下面显示了该电路的完整传递函数。
如果 R1 = R2 并且 R3 = R4，那么该电路的传递函数可以简化为以下方程。
• 其中增益 G 为 R3/R1。
1. 确定 R1 和 R2 的起始值。R1 和 R2 相对于源的信号阻抗的大小会影响增益误差。
R1=R2=10Ω
2. 计算该电路所需的增益。
3. 计算 R3 和 R4 的值。
4. 计算满足最小共模抑制比 (CMRR) 的电阻器容差。对于最小（最坏情况）的 CMRR，α = 4。对于更有可 能的 CMRR 值或典型的 CMRR 值，α = 0.33。
5. 为了提供快速参考，下表将电阻器容差与最小和典型 CMRR 值进行了比较（假设 G = 1 或 G = 2）。如 上所示，当增益增大时，CMRR 也会增大。
设计仿真
直流仿真结果
CMRR仿真结果
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