《電子技術(shù)應(yīng)用》
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資深工程師設(shè)計(jì)案例: 扒一扒運(yùn)算放大器
摘要: 先說(shuō)說(shuō)電壓,根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和我自己使用的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于低頻電路,op放大器的電源一般選用±12V,這個(gè)電壓在市場(chǎng)上面比較常見(jiàn),如果輸出比較高的話也可以用到±15V或者±18V;如果輸出電流比較大電壓比較高的話這個(gè)電壓還可略微提高...
Abstract:
Key words :

  先說(shuō)說(shuō)電壓,根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和我自己使用的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于低頻電路,op放大器的電源一般選用±12V,這個(gè)電壓在市場(chǎng)上面比較常見(jiàn),如果輸出比較高的話也可以用到±15V或者±18V;如果輸出電流比較大電壓比較高的話這個(gè)電壓還可略微提高,但是一般不要超過(guò)±20V(此時(shí)實(shí)際很多器件都沒(méi)有余量了)。這個(gè)時(shí)候要注意器件的散熱問(wèn)題。對(duì)于高頻而言,考慮到幅度問(wèn)題,一般不會(huì)太高,考慮到散熱,這個(gè)供電電壓要適當(dāng)減低,一般±5V比較常用,必要的時(shí)候也可提高一些。但是高頻放大幅值都不會(huì)太高,因?yàn)橛兴俣鹊挠绊憽?/p>

  還有一些運(yùn)算放大器,使用在單電源的場(chǎng)合,這個(gè)是為了解決單電源應(yīng)用問(wèn)題而產(chǎn)生的,畢竟很多的場(chǎng)合是沒(méi)有雙電源的。近年來(lái),芯片電壓越來(lái)越低,用3.3v作為電源供電的情況是越來(lái)越多了,這個(gè)也變得更加重要。

  在這里,運(yùn)算放大器的電壓去偶是個(gè)要關(guān)注的重點(diǎn),一方面抑制輸入噪聲,一方面防止輸出噪聲。

  電壓用到比較高的場(chǎng)合,還要考慮到保護(hù)問(wèn)題,輸入需要保護(hù),輸出也需要保護(hù)。對(duì)于輸入,如果是同相端輸入,串連一個(gè)數(shù)百歐姆的電阻加上二極管4148保護(hù)是比較實(shí)用的方法,這個(gè)二極管不要質(zhì)量太差,否則會(huì)因?yàn)槁╇娏髟斐芍绷鲉?wèn)題。如果是反向輸入,加兩個(gè)二極管到地利用它正向?qū)ㄌ匦云鸬奖Wo(hù)作用。對(duì)于輸出也是類似,就是使用串電阻并加兩個(gè)二極管到正負(fù)電源的方法解決。保護(hù)電壓要留一點(diǎn)余量,免得產(chǎn)生信號(hào)失真。

  這里再說(shuō)一下單電源放大器的使用。

 

  先說(shuō)說(shuō)電壓,根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和我自己使用的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于低頻電路,op放大器的電源一般選用±12V,這個(gè)電壓在市場(chǎng)上面比較常見(jiàn),如果輸出比較高的話也可以用到±15V或者±18V;如果輸出電流比較大電壓比較高的話這個(gè)電壓還可略微提高,但是一般不要超過(guò)±20V(此時(shí)實(shí)際很多器件都沒(méi)有余量了)。這個(gè)時(shí)候要注意器件的散熱問(wèn)題。對(duì)于高頻而言,考慮到幅度問(wèn)題,一般不會(huì)太高,考慮到散熱,這個(gè)供電電壓要適當(dāng)減低,一般±5V比較常用,必要的時(shí)候也可提高一些。但是高頻放大幅值都不會(huì)太高,因?yàn)橛兴俣鹊挠绊憽?/p>

  還有一些運(yùn)算放大器,使用在單電源的場(chǎng)合,這個(gè)是為了解決單電源應(yīng)用問(wèn)題而產(chǎn)生的,畢竟很多的場(chǎng)合是沒(méi)有雙電源的。近年來(lái),芯片電壓越來(lái)越低,用3.3v作為電源供電的情況是越來(lái)越多了,這個(gè)也變得更加重要。

  在這里,運(yùn)算放大器的電壓去偶是個(gè)要關(guān)注的重點(diǎn),一方面抑制輸入噪聲,一方面防止輸出噪聲。

  電壓用到比較高的場(chǎng)合,還要考慮到保護(hù)問(wèn)題,輸入需要保護(hù),輸出也需要保護(hù)。對(duì)于輸入,如果是同相端輸入,串連一個(gè)數(shù)百歐姆的電阻加上二極管4148保護(hù)是比較實(shí)用的方法,這個(gè)二極管不要質(zhì)量太差,否則會(huì)因?yàn)槁╇娏髟斐芍绷鲉?wèn)題。如果是反向輸入,加兩個(gè)二極管到地利用它正向?qū)ㄌ匦云鸬奖Wo(hù)作用。對(duì)于輸出也是類似,就是使用串電阻并加兩個(gè)二極管到正負(fù)電源的方法解決。保護(hù)電壓要留一點(diǎn)余量,免得產(chǎn)生信號(hào)失真。

  這里再說(shuō)一下單電源放大器的使用。

 

  當(dāng)使用單電源電路時(shí),運(yùn)算放大器就不得不使用單電源電壓驅(qū)動(dòng),因?yàn)槟M電路通常都是以地為基準(zhǔn)(零電位),必須保證輸入為0伏,輸出也是0伏,所以0入0出是其使用的必要條件。一般來(lái)講除非特別說(shuō)明,普通放大器單電源工作特性是很難保證的。如果手頭確實(shí)沒(méi)有單電源放大器,有一個(gè)方法可以讓普通放大器實(shí)現(xiàn)單電源工作。如果輸入電壓是+12v,以反相放大器為例,一般雙電壓都是同相端接地,這里采用同相端接1/2*+12v=+6v,當(dāng)然輸入端是要用電容隔直的,把中心點(diǎn)抬高到中心電壓,這樣就可以把這個(gè)放大器做為一個(gè)±6V供電的放大器來(lái)使用了,當(dāng)然最大幅值也是不能超過(guò)±6V(實(shí)際應(yīng)用考慮到實(shí)際參數(shù)要小一些比較好)。這個(gè)在音頻電路使用的還是比較多的。

  單電源放大器的特點(diǎn)如下:

  1, 可以0v輸入(輸入電壓范圍0~vcc-1.5v)

  2, 可以0v輸出(輸入電壓范圍0~vcc-1.5v)

  實(shí)際上,很多的單電源放大器所謂的0輸出都是在零的附近,并非真正的0,如果在精度高的地方,肯定是不行的;這個(gè)時(shí)候就要考慮采用電平移動(dòng)的方法,說(shuō)白了還是在同相輸入端加一點(diǎn)偏置電壓,把零點(diǎn)轉(zhuǎn)換成一個(gè)非零值再放大,就可以避開之隔死區(qū)問(wèn)題了。

  在使用各種單電源放大器時(shí),很容易出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題就是會(huì)有輸入電壓超出容許范圍的情況,這時(shí)會(huì)導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生急劇變化,出現(xiàn)輸出相位反轉(zhuǎn)或者跳躍現(xiàn)象。發(fā)生這種現(xiàn)象是破壞了單調(diào)性,在應(yīng)用時(shí)是致命的,輕則信號(hào)失真,重則損壞器件,不可恢復(fù)。

  所以輸入電路必須加裝保護(hù)電路。一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是串接數(shù)百歐姆電阻(根據(jù)輸入電壓不同選擇),除了電阻其后面還可接兩個(gè)保護(hù)二極管,一段到正電源,一端到地,保證電壓在合理的范圍內(nèi)。再說(shuō)一下運(yùn)算放大器的常用重要參數(shù):

  1,輸入內(nèi)阻。這個(gè)對(duì)于普通應(yīng)用沒(méi)什么特別的,通常都是幾G到幾千G,其實(shí)就是偏置電流的另一種變現(xiàn)形式吧!如果用到同相輸入并且要求精度比較高的時(shí)候,這時(shí)就要選擇輸入內(nèi)阻高的OP放大器,不然會(huì)影響輸入值的。如果反相輸入,一般影響不大,應(yīng)為虛地的原因。輸入電容一般就是數(shù)個(gè)p法。

 

  2,輸入補(bǔ)償電壓。淺顯一點(diǎn)說(shuō),所謂補(bǔ)償電壓就是為OP放大器0輸入時(shí)輸出不為0的問(wèn)題嚴(yán)重狀況的表現(xiàn)。一般這個(gè)值越小OP放大器越好。因?yàn)榭紤]到OP放大器增益都很高,很小的失調(diào)電壓都可能造成很大的輸出,這個(gè)在高精度應(yīng)用中是不能容忍的,必須要調(diào)整或者更換芯片。

  3,溫漂。這個(gè)不說(shuō)都知道,當(dāng),然是越小越好了。

  4,開環(huán)增益。微小電流應(yīng)用時(shí)這個(gè)要考慮,盡量用大一些。一般場(chǎng)合基本不需要考慮這個(gè)問(wèn)題。

  5,工作電壓。分為單電源和雙電源?,F(xiàn)在一般雙電源OP放大器稍加改造也可以用在一些單電源的場(chǎng)合。應(yīng)用中一點(diǎn)要注意輸入信號(hào)最好不要超過(guò)電源電壓最高值。

  6,工作電流。一般夠用。

  7,帶寬增益積。這個(gè)就是常見(jiàn)的GB積。這個(gè)值直接決定了你的應(yīng)用的頻率極限。簡(jiǎn)單的計(jì)算就是你用到的最大增益(不是直接的放大倍數(shù),要換成db值)乘上頻率就得到了。如果在范圍內(nèi),應(yīng)該可以用(實(shí)際應(yīng)用時(shí)我都至少減半使用)。

  8,轉(zhuǎn)換速率。這個(gè)也很重要,直接決定應(yīng)用的頻率,頻率越高,上升與下降的速率越高,原則上不要超過(guò)其最大速率為好。否則必定造成波形的失真。這個(gè)速率簡(jiǎn)便算法可以通過(guò)正弦波0°到90°的值除以時(shí)間,很容易換算得到。

  9,共模信號(hào)抑制比(CMRR)。這也是區(qū)別OP放大器的最重要因素之一。通用場(chǎng)合不必關(guān)心(高精度應(yīng)用后面再說(shuō))。下面來(lái)點(diǎn)實(shí)在的。

 

  高精度mV級(jí)得DC放大器使用要點(diǎn)。這種高精度OP放大器的DC特性一般都很出色,但是其頻率特性和轉(zhuǎn)換速率等交流特性就會(huì)差很多。所以,當(dāng)輸入的信號(hào)頻率高時(shí),轉(zhuǎn)換速率不足而發(fā)生失真,將一部分交流變成了直流成分,導(dǎo)致輸入信號(hào)的畸變。如果用正弦波輸入,你會(huì)發(fā)現(xiàn)頻率變高后波形慢慢都變成了近似三角波了,最后變成與該正弦波毫不相干的波形了。這個(gè)時(shí)候,如果在反饋電阻上面并聯(lián)一個(gè)電容限制帶寬如何呢?答案是,依然失真得厲害。所以在反饋電路濾波是不合適的。

  這是怎么辦呢?最有效的辦法就是“御敵于國(guó)門之外”--------在輸入端加低通濾波器。就是在輸入端加一個(gè)阻容濾波,考慮到OP放大器偏置電流的影響,會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償電壓,所以這個(gè)電阻不能太大(幾百到幾K吧);如果非要用大的電阻,就只能采用小的偏置電流的OP放大器。加上濾波器后直流變得十分干凈,完全沒(méi)有了交流信號(hào)的影響了。

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