一、運放的常用用法

運算放大器常作為一種高增益、差分輸入、單端輸出的電路，在模擬電路與信號處理系統中有多種用法。

最基本的用途是信號放大，可以將微弱的輸入信號按一定比例放大，無論是同相放大還是反相放大，都能通過配置外部電阻來控制放大倍數。在音頻放大、傳感器信號調理等領域有應用。

運算放大器還能實現信號運算功能，對多個輸入信號進行加、減、乘、除等數學運算，或積分和微分運算。

此外，運算放大器可以構建方波發生器，其基本原理是利用其高增益特性以及正反饋和負反饋網絡來產生周期性的高低電平切換，從而輸出方波信號。

以上為工程師最常見到的一些運放設計應用，下文總結近期客戶的一些應用場景。

二、運放的應用案例

1、信號偏置與放大案例

通過多級運放可實現電壓的偏置與放大，應用案例中，要求將 0V~5V 的輸入模擬信號，對應轉換為 - 10V~+10V 的輸出模擬信號。

對應電路原理圖如下：

圖一、基于AiP072與AiP431A的信號偏置與放大電路

先通過一級同相求和運算電路，結合 AiP431A 電壓基準，將輸入電壓轉換為 VX=VI-2.5V，對應一級運放的輸出電壓范圍為 - 2.5~2.5V。再利用二級同相比例運算電路進一步轉換，得到 VO=4×VI，此時二級運放的輸出電壓范圍為 - 10~+10V。

其中：R1=R2; R6=R1//R2; R5=3×R4; R3=R5//R4

2、運放的驅動加強案例

運放在小信號處理領域應用廣泛，但負載能力較弱 （運放的驅動能力通常在幾 mA 至 20mA 之間，短路電流一般不超過 50mA），因此很難驅動繼電器、LED 燈、功率管、高阻耳機、電機、變壓器等負載，也無法滿足遠距離模擬傳輸的需求。若應用場景需要幾百 mA 至 A 級的驅動電流，現有運放無法適配，需對電路進行改進，以滿足百 mA 級甚至 A 級的驅動需求。

圖二、運放驅動Q1

其中：V+ = V- = Vi，V+/R1=（Vo-V-）/R2，因此：Vo=（1+R2/R1）*Vi

通過上述方式，建立輸出電壓與輸入電壓關系，但輸出的電流值可以遠大于運放，甚至可以高于專用的功率運放。

3、運放電流檢測案例

電流檢測方案主要分為霍爾檢測和電阻檢測兩類，其中霍爾電流檢測的缺點是結構體積較大、成本偏高，優勢則是具備電氣隔離功能。若應用場景無電氣隔離，采用電阻采樣的電流檢測方式更為合適；為實現檢測 ADC（獨立 ADC 芯片或集成 ADC 功能的 MCU）與被檢測設備的共地，我們常用的電流檢測結構設計如下。

圖三、低邊電流檢測

該結構廣泛應用于反激式開關電源一次繞組的電流采集、低壓小功率電機驅動器三相橋的低側電流采集等場合，優勢是低側電流測量設計簡單，僅需一個運放即可完成電流測量。

但該方案會在接地路徑中串入采樣電阻，數字電路或驅動電路的高低電平切換會導致電流動態變化，流入地的電流會在采樣電阻上產生電壓，電壓將以地平面噪聲的形式疊加在系統地上。不僅會影響模擬部分的測量精度，還可能導致數字部分出現誤動作。因此，在對地平面噪聲要求不高的系統中，低側電流測量是最簡便的方案；若系統無法容忍地平面噪聲，則可選擇高側電流測量（又稱電源側采樣），其具備更強的抗共模干擾能力。高側電流采樣的原理如下圖所示。

圖四、電源側電流采集

中微愛芯AiP8199、AiP8280 系列電流檢測放大器專為電流檢測方案設計，具有超寬共模電壓（AiP8199 為 30V，AiP8280 為 120V）、超低誤差及高速響應優勢，既可用于低側電流采集，也應用于電源側電流采方案。

附1：AiP8199替代某X198方式

某X198通過輸出外接一只RL（需要高精度，低溫漂電阻）對放大倍數進行調整。該方案容易在負載外接其它電阻導致檢測錯誤，工程師設計時尤其小心。

某X198 的Vout=Is*Rs*RL/1k，AiP8199 的Vout=Is*Rshunt*100，當要求Vout相同，即Rshunt*100=Rs*RL/1k，則AiP8199的采樣電阻Rshunt=（Rs*RL/1k）/100。替換Ti的INA138/INA136方法類似。

在輸入端口增加的RC可以濾除差模和共模干擾。

圖五、AiP8199應用外圍

圖六、某X198 應用外圍

附2：AiP8199可以與AiP8552構成儀表運放

電流檢測運放通過前級增加一顆2路精密運放可以做成儀表放大器，放大倍數可以通過調整電阻靈活調節。

圖七、AiP8199可以與AiP8552構成儀表運放

4、運放的二階低通濾波

RC 濾波是無源濾波器中最典型的一種，但存在明顯缺陷：電阻與負載會形成分壓，負載阻值越大，輸出電壓越高；同時濾波帶寬會隨負載特性變化。

在無源濾波與負載之間增設一級跟隨器，可使輸出電壓不受負載影響，由此構成一階有源低通濾波器。借助運放的放大特性，還能對輸入信號進行幅值放大。若原幅頻特性曲線不夠陡峭，可再增加一組 RC 濾波單元，進而構成二階有源濾波器。

圖八、二階有源濾波器

如果幅頻曲線還不夠陡峭，可引入了正反饋，如 Sallen–Key 濾波器。

根據項目的轉折和帶內波動設計要求選擇具體的RC參數，詳細選型方法可參考《運算放大器權威指南》一書第16章

5、運放的對數應用

模擬電路信號檢測中，針對輸入動態范圍極大的信號，為覆蓋信號上下限且不降低性能，通過對數放大方式實現。

對數運放的核心特點是，輸出值不會隨輸入線性增大，而是呈非線性增長。對突發增大的信號，以非線性檢測方式壓縮信號幅度，適配寬動態范圍需求。這類對數運算電路的核心原理，是利用二極管、三極管等電子器件本身具備的對數關系實現的。

二極管一個重要公式為：ID ≈Is*eUd/Ut，其存在對數關系。

其中：ID為正向電流，IS為反向飽和電流，UD：正向電壓，UT為熱電壓（26mV）

但二極管在電壓小于開啟電壓時，電流和電壓非指數關系。一般采用下圖三極管方式設計，其輸出與輸入關系為：Uo=-ube≈-ut*ln （uI/（IS*R））。

圖九、三極管與AiP8551構成的對數放大

圖十、三極管特性曲線

目前還有的應用方式為采用程控運放、增益可調運放或者在運放反饋采用類似模擬開關串聯電阻來調節放大比例，來使得信號在不同幅度運算放大后仍然在幅值電壓范圍內。

三、總結

運放的應用方式非常廣泛且靈活。除上述介紹的，還有過零檢測、窗口比較器、電壓頻率轉換器、三角波發生器、脈沖發生器、恒流源等等應用方式。

關于中微愛芯

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