运算放大器（Operational Amplifier，简称 运放）是模拟电路中最常见、最核心的器件之一，被广泛应用于信号放大、滤波、采样、驱动、测量、ADC 前端调理、传感器接口等场景。然而，在实际设计中，许多初学者会遇到运放自激振荡、噪声过大、带宽不足、输入失真、输出摆幅不够等问题。

本文将从 运放选型、稳定性设计、噪声控制 三个方向，提供一套工程实战可直接应用的入门指南，让你能快速上手并避免常见错误。

一、运放电路设计的整体流程

在开始之前，必须明确一个完整的放大器设计流程：

明确需求 → 确定增益架构 → 运放选型 → 稳定性分析 → PCB 布局 → 噪声优化 → 实测验证

这是专业模拟工程师的通用步骤，每一步都会影响最终性能。

二、如何正确选择运算放大器？

运放选型是设计的第一步，关键参数包括 带宽、压摆率、输入/输出范围、噪声、电源、电流、稳定性 等。

下面按工程优先级讲解。

1. 功能与应用场景优先决定参数

（1）传感器前端（如压力、电流、温度采集）

需要：

• 低噪声（nV/√Hz 等级）

• 高输入阻抗

• 低偏置电流

• 零漂、低失调

推荐运放系列：OPA188、OPA333、AD8628、LT6015

（2）高速信号放大（视频、RF 前端、ADC 驱动）

需要：

• GBW（增益带宽积） > 10MHz ~ GHz

• 高压摆率（>100V/µs）

• 低失真（THD）

推荐：OPA657、THS3001、AD8065、ADA4899

（3）电源与功率驱动类（音频、负载驱动、马达控制）

需要：

• 大输出电流

• Rail-to-Rail 输出

• 低失真

推荐：OPA548、LM675、TPA6120

（4）普通信号放大（通用型）

• GBW 1–10MHz

• 中等噪声

• RRIO（轨到轨输入输出）

代表：OPA2134、TL072、LMV358、OPA1678

2. 核心参数解析（工程必懂）

（1）增益带宽积 GBW

增益 × 带宽 ≈ 常数

例如 GBW=10MHz 的运放放大 10 倍时最大带宽 ≈1MHz。
设计中必须留出 至少 3 倍裕量。

（2）压摆率 Slew Rate（SR）

决定运放是否会“跟不上”高速信号。

例如要求放大 1MHz、峰值 5V 信号：

SR需求 = 2πfVpeak = 2π × 1M × 5 ≈ 31V/µs

SR 不够会出现削顶、失真、过冲。

（3）输入与输出范围（RRIO/RRI/RRO）

常见错误：
低压供电（如 5V）却选了输入范围要求 ±15V 的老旧运放，导致电路完全不能工作。

（4）噪声密度（nV/√Hz）

噪声源包括：

• 输入电压噪声

• 电流噪声

• 1/f 低频噪声

• 电阻热噪声

对高精度测量电路至关重要。

三、运放稳定性设计（解决自激振荡）

运放不稳定时的表现：

• 波形振荡

• 输出尖峰

• 测量乱跳

• 高频噪声增大

• 带载能力差

主要原因来自：

• 负载电容过大（如直接驱动 ADC 或长线）

• 反馈网络造成相位下降

• PCB 寄生电容

• 运放内补偿不足

1. 判断运放是否稳定：相位裕量 PM

运放闭环稳定的标准：

相位裕量 PM > 45°（安全值 > 60°）

低于 30° 基本必振。

2. 经典补偿方法

（1）加入串联隔离电阻（最有效）

在运放输出端与负载/ADC 输入之间加：

5–100Ω 电阻

功能：

• 抑制容性负载

• 提升相位裕量

• 防振荡最通用方法

（2）反馈补偿：添加电容 Cf

常用在反相放大器：

Cf 与反馈电阻 Rf 并联，形成低通

功能：

• 限制高频增益

• 增加稳定性

（3）Snubber RC（阻尼网络）

适合驱动电缆、长线

R-C 串联并接输出端到地

减少反射与高频振荡。

四、噪声控制（提升信号质量）

运放噪声来源复杂，大致可总结为：

• 运放本身噪声

• 电阻热噪声

• 电源噪声

• 布线耦合噪声

• EMI、开关电源干扰

下面给出工程上最常用的抑噪手段。

1. 电阻选型

噪声电压：

e_n = sqrt(4kTRB)

工程原则：

• 用较低阻值（1k–10k）

• 重要信号链路使用薄膜电阻

• 避免碳膜电阻（噪声大）

2. 电源噪声抑制

关键：

• 运放电源端放置 0.1uF + 1uF 贴片电容

• 必须紧靠 V+ / V− 引脚

• 模拟电源需独立 LDO 或 LC 滤波

• 避免与数字高频纹波电源共享

3. PCB 布局方法（必须掌握）

• 运放输入端走线要短

• 反馈线紧贴运放引脚

• 避免输入跨越地平面切割

• 输入与输出分区走线，禁止平行

• 拓扑结构清晰：输入左、输出右、反馈短

经典做法：

“三角形布局法” 用于最大程度减少寄生耦合。

4. 屏蔽与接地

• 低噪声电路优先放置在 PCB 静区

• 金属屏蔽罩能显著降低 EMI

• 分区地：模拟地、数字地只在一点汇合

五、典型运放电路设计举例

1. 高精度非反相放大器（传感器前端）

特点：

• 输入阻抗高

• 增益稳定

• 噪声低

设计步骤：

1. 计算增益

2. 选择低噪声运放（如 OPA188）

3. 选 1k–10k 精密电阻

4. 补偿 Cf 确保稳定性

5. PCB 走线短而集中

2. 高速 ADC 驱动电路

关键：

• 需要高压摆率

• 需要隔离电阻（22–49Ω）

• 必须控制输入阻抗

• 双极性输入 ADC 需设计共模偏置网络

推荐运放：THS4551、ADA4896、OPA365

3. 功率放大器驱动（音频）

关键：

• 低失真（THD）

• 输出电流大

• 温度控制

• 保护功能（过流/过温）

六、常见问题与解决方法（工程必看）

问题 1：运放一接上电就振荡？

解决：

• 增加 10–22Ω 隔离电阻

• 在反馈加入小电容

• 检查 PCB 是否有寄生耦合

问题 2：信号噪声太大？

检查：

• 电源噪声

• 使用的电阻类型

• 输入线是否太长

• 地是否被切割

• 周围有无开关电源干扰

问题 3：输出被削顶？

原因：

• 运放输出摆幅不足（非 RR）

• SR 不够

• GBW 不够

解决：
换更高速或 Rail-to-Rail 的运放。

七、结语：构建你的模拟设计基础能力

运放电路看似基础，却是模拟设计的核心。要做好放大器电路，需要：

• 正确理解需求

• 精准进行运放选型

• 熟悉稳定性补偿

• 控制噪声源

• PCB 实现规范

只要掌握本文的原则，你已经具备设计绝大多数放大器电路的能力。