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運(yùn)算放大器實(shí)戰(zhàn)入門 下 云南大學(xué)信息學(xué)院 何樂生 2010 4 本講座的主要內(nèi)容 對設(shè)計(jì)者而言 運(yùn)算放大器到底能解決什么問題 在運(yùn)算放大器令人眼花繚亂的眾多參數(shù)中那幾個(gè)最最重要 它們怎樣影響實(shí)際設(shè)計(jì) 我們常用的運(yùn)放有哪些 各自在什么時(shí)候用 怎么對它們進(jìn)行分類 運(yùn)放電路設(shè)計(jì)時(shí)的基本原則有什么 運(yùn)算放大器典型應(yīng)用電路分析 運(yùn)放電路設(shè)計(jì)的基本原則 原則上 所有的輸入和輸出電壓都不允許或不能夠超過電源電壓范圍 輸入輸出范圍必須由具體型號決定 虛短 和 虛斷 是所有分析和計(jì)算的基礎(chǔ) 但它們成立的前提是 負(fù)反饋 成立 一般運(yùn)放的輸出電流不允許超過20mA 否則將不再滿足 虛短 和 虛斷 的原則 所有的運(yùn)放電路都必須存在一個(gè)工作點(diǎn) 沒有正確工作點(diǎn) 所有的設(shè)計(jì)就像沒有基礎(chǔ)一樣無法工作 本講座的主要內(nèi)容 對設(shè)計(jì)者而言 運(yùn)算放大器到底能解決什么問題 在運(yùn)算放大器令人眼花繚亂的眾多參數(shù)中那幾個(gè)最最重要 它們怎樣影響實(shí)際設(shè)計(jì) 我們常用的運(yùn)放有哪些 各自在什么時(shí)候用 怎么對它們進(jìn)行分類 運(yùn)放電路設(shè)計(jì)時(shí)的基本原則有什么 運(yùn)算放大器典型應(yīng)用電路分析 設(shè)計(jì)舉例 下面通過設(shè)計(jì)實(shí)例 說明上述設(shè)計(jì)基本原則的應(yīng)用 例1基本放大電路 優(yōu)缺點(diǎn) 1 增益為負(fù) 可以在任何范圍內(nèi)調(diào)節(jié) 2 放大器帶寬較寬 3 運(yùn)放輸入共模電壓不變 失調(diào)電壓固定 4 具有輸入電流通路 可以用作電流和電荷放大器 5 輸入阻抗為R1 較小 優(yōu)缺點(diǎn) 1 增益為正 但大于1 2 放大器帶寬較窄 3 運(yùn)放共模電壓隨輸入電壓變化 失調(diào)電壓有可能變化 4 輸入阻抗為運(yùn)放輸入阻抗 很大 可以用作電壓型傳感器放大器 例2工作點(diǎn) 麥克風(fēng)放大器 駐極體麥克風(fēng)可以簡化為一個(gè)受聲音控制的受控電流源 放大電路要完成的任務(wù) 將受控電流源變化轉(zhuǎn)換為電壓變化 將電壓變?yōu)殇浺粼O(shè)備 如ADC 可以接收的0 電源電壓的電平信號 例2 問題 1 這個(gè)電路的工作點(diǎn)是多大 有誰決定的 2 電容C起到了什么作用 如果是雙電源電路是否需要電容C 3 怎樣增大電路的增益 例3小電流恒流源的設(shè)計(jì) 問題 設(shè)計(jì)一個(gè)角度傳感器的調(diào)理電路 該傳感器工作原理是一個(gè)電位器 轉(zhuǎn)過的角度和兩個(gè)測試端之間的電阻成正比 分析 需要恒流源做為調(diào)理電路 U R I 如果電流固定 則輸出電壓和測試端之間的電阻成正比 思路 最直接的想法是利用 虛斷 如果從輸入端往后輸送一個(gè)固定電流 則反饋通路上的負(fù)載將得到這個(gè)固定的電流 例3 問題 1 恒流源的 恒流 是多大 2 這個(gè)電路能夠提供的最大 恒流 是多大 3 電路輸出的電壓怎樣隨角度傳感器的輸入變化 傳遞函數(shù) 4 恒流源的穩(wěn)定程度主要由什么決定 5 電壓基準(zhǔn)為什么要反著接 怎樣改進(jìn) 6 在這個(gè)電路中使用虛斷的前提是什么 7 這個(gè)放大電路的 工作點(diǎn) 是什么 例3 仔細(xì)分析上圖可以發(fā)現(xiàn) 可以用一種更本質(zhì)的方法得到這個(gè)電路 這是一個(gè)電流反饋電路 通過傳感器的電流在RCRA2上變?yōu)殡妷?VREF和地之間的壓差 這個(gè)電壓被反饋到了運(yùn)放的反相輸入端 從而構(gòu)成了一個(gè)電流負(fù)反饋電路 例4大電流恒流源的設(shè)計(jì) 例1電路的重要缺點(diǎn)是輸出電流小 為了增大其輸出電流 自然聯(lián)想到使用分離元器件 例4 問題 1 恒流源的 恒流 是多大 2 這個(gè)電路能夠提供的最大 恒流 是多大 3 怎樣確定這個(gè)電路是負(fù)反饋電路 它具有什么樣的負(fù)反饋形式 4 電路的工作點(diǎn)是什么 5 怎樣提供更大的輸出電流 例5電流 電荷放大器 如果某個(gè)傳感器的機(jī)理是輸入物理量和輸出的電荷或者電流成正比 則我們就需要一個(gè)理想的 內(nèi)阻為0 電流或電荷的 接收器 當(dāng)這些傳感器從反相輸入端輸入時(shí) 根據(jù) 虛短 原則 這個(gè)輸入端將被固定在同相輸入端給定的電平上 而傳感器輸出的電荷或者電流將被完全吸收 從而構(gòu)成輸入電阻為0的理想 接收器 例5 硅光電池的接收電路 電荷放大器 例6阻抗變換的例子 注意接成跟隨器的運(yùn)算放大器OPAM1A的作用 右腿驅(qū)動(dòng)放大器OPAM1B是一個(gè)反相放大器 它的輸入阻抗等于1K RDR9 如果直接將Y型電阻網(wǎng)絡(luò)的中心點(diǎn)直接連接到反相放大器的輸入 相當(dāng)于在這個(gè)點(diǎn)和OPAM1B的工作點(diǎn)REF1 5之間連接了一個(gè)1K的電阻 這個(gè)電阻勢必影響Y型電阻網(wǎng)絡(luò)的工作 因此必須加入跟隨器進(jìn)行阻抗變換 心電放大器右腿驅(qū)動(dòng)的電路 例7增加運(yùn)放輸出能力的電路 普通運(yùn)放的輸出能力在20mA左右 無法達(dá)到很多應(yīng)用的需求 這是一個(gè)通過推挽輸出的三極管增加輸出電流的例子 問題 1 怎樣分析這個(gè)電路的反饋 它的增益是多大 2 這個(gè)電路中為什么沒有出現(xiàn)去除 交越失真 的二極管 運(yùn)放的什么參數(shù)決定了不需要這兩個(gè)二極管 3 除了三極管的飽和電流之外 電路的輸出電流還由什么決定 怎樣提高 例8METER BUS下行調(diào)制 METER BUS下行調(diào)制是電壓調(diào)制 需要讓電壓在24V和12V之間切換 且工作電流較大 可能達(dá)到100mA以上 比較直接的一種想法就是 用小電流的調(diào)整電路首先產(chǎn)生24V和12V的電平信號 再用輸出電流較大的 跟隨器 來產(chǎn)生METER BUS的信號 例8 問題 1 功率輸出部分的增益是多大 2 為什么是一個(gè)N溝道MOS管和一個(gè)PNP三極管的組合 且三極管是一個(gè)小功率管 3 這個(gè)電路有什么致命問題 問題 為什么要將運(yùn)放的電源提高到30V 例9減法器 為什么說減法器很重要 實(shí)際設(shè)計(jì)中 如心電放大器和很多傳感器電路 很多情況下干擾以共模形式存在 即干擾會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在傳遞信號的兩根線上 解決的辦法是求兩個(gè)信號線的差 運(yùn)算放大器本來是一個(gè)三端器件 求出兩個(gè)輸入端的電壓差 表示在輸出端上 但直接用運(yùn)算放大器求出電壓之差并不是一件容易的事 原因是運(yùn)放的增益很大 且不是一個(gè)恒定的值 例9典型的減法器 問題 1 這個(gè)放大電路的工作點(diǎn)是多少伏 2 影響這個(gè)電路精度的最重要因素是什么 3 Vref是否可以通過電阻分壓產(chǎn)生 4 這個(gè)電路的輸入阻抗是多大 根據(jù)疊加原理 這個(gè)電路的傳遞函數(shù)等于 VO Vref V1 V2 K其中K R2 R1 R4 R3 例9減法器電路的主要缺點(diǎn) 輸入阻抗不夠大 無法直接應(yīng)用在心電放大等電路中 需要精確的電阻網(wǎng)絡(luò)R1 R4 如果這四個(gè)電阻之間的比例關(guān)系有誤差將嚴(yán)重影響減法器的精度 增益調(diào)節(jié)時(shí)需要至少同時(shí)按比例改變兩個(gè)電阻的阻值 因此幾乎無法實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié) 例10差分放大器 為了解決上述矛盾 有一種解決方案 在減法器前面加上一個(gè)差分放大器 該差分放大器不直接去做減法 而是完成放大 放大兩個(gè)信號的差模部分 共模部分不變 留待后續(xù)減法器解決 該差分放大器還應(yīng)具有以下特性 輸入阻抗無窮大 能夠方便的改變差模信號的放大倍數(shù) 例10差分放大器 問題 1 這個(gè)放大電路差模增益和共模增益分別等于多大 2 輸入阻抗等于多大 輸入阻抗呢 3 通過什么方法可以方便的改變它的差模增益 例11儀用放大器 將上述兩種放大器合在一起就得到了我們常用的 儀用放大器 AD620AD623AD8220INA110INA118等等 例11儀用放大器 由差分放大器提供的很高的輸入阻抗 由激光修訂的非常準(zhǔn)確的電阻R1 R4 價(jià)格較高的原因 提供很高的共模抑制能力 可以通過電阻Rb進(jìn)行方便調(diào)節(jié)的增益 輸出的是兩個(gè)信號的差 但這個(gè)差的表示方法是相 對于可變的Vref 也就是實(shí)現(xiàn)的電平的平移 例11 儀用放大器使用注意事項(xiàng) 不要輕視5腳Vref 因?yàn)樗扔谑翘峁┝溯敵龅膮⒖键c(diǎn) 可以用它將輸出變換到所需的任意電平基準(zhǔn)上 單電源應(yīng)用正是基于上述思路 Vref引腳輸入電阻不是無窮大 不可以由電阻分壓產(chǎn)生 儀用放大器的共模抑制比和增益成正比 輸入信號電平不能超過電源范圍 例12最精彩的一例 利用極低的失調(diào)電壓的運(yùn)放 不切斷導(dǎo)線 直接測量導(dǎo)線上流過的電流 有的運(yùn)放的失調(diào)電壓已經(jīng)非常小1uV 這意味著在1 的導(dǎo)線上可以描述1uA的電流 這可以完成一個(gè)非常精密的電流測量 鐺 鐺 鐺 用極精密的運(yùn)放可以不切斷電路板上的走線 直接測量走線上的電流 例12 問題 1 為什么要用失調(diào)電流很小的運(yùn)放才能測出走線電流 2 電路板走線上的電流和輸出之間的關(guān)系 3 為什么要強(qiáng)調(diào)運(yùn)放的地是 儀器的地 謝謝