运算放大器实战入门[下.ppt

运算放大器实战入门 下 云南大学信息学院 何乐生 2010 4 本讲座的主要内容 对设计者而言 运算放大器到底能解决什么问题 在运算放大器令人眼花缭乱的众多参数中那几个最最重要 它们怎样影响实际设计 我们常用的运放有哪些 各自在什么时候用 怎么对它们进行分类 运放电路设计时的基本原则有什么 运算放大器典型应用电路分析 运放电路设计的基本原则 原则上 所有的输入和输出电压都不允许或不能够超过电源电压范围 输入输出范围必须由具体型号决定 虚短 和 虚断 是所有分析和计算的基础 但它们成立的前提是 负反馈 成立 一般运放的输出电流不允许超过20mA 否则将不再满足 虚短 和 虚断 的原则 所有的运放电路都必须存在一个工作点 没有正确工作点 所有的设计就像没有基础一样无法工作 本讲座的主要内容 对设计者而言 运算放大器到底能解决什么问题 在运算放大器令人眼花缭乱的众多参数中那几个最最重要 它们怎样影响实际设计 我们常用的运放有哪些 各自在什么时候用 怎么对它们进行分类 运放电路设计时的基本原则有什么 运算放大器典型应用电路分析 设计举例 下面通过设计实例 说明上述设计基本原则的应用 例1基本放大电路 优缺点 1 增益为负 可以在任何范围内调节 2 放大器带宽较宽 3 运放输入共模电压不变 失调电压固定 4 具有输入电流通路 可以用作电流和电荷放大器 5 输入阻抗为R1 较小 优缺点 1 增益为正 但大于1 2 放大器带宽较窄 3 运放共模电压随输入电压变化 失调电压有可能变化 4 输入阻抗为运放输入阻抗 很大 可以用作电压型传感器放大器 例2工作点 麦克风放大器 驻极体麦克风可以简化为一个受声音控制的受控电流源 放大电路要完成的任务 将受控电流源变化转换为电压变化 将电压变为录音设备 如ADC 可以接收的0 电源电压的电平信号 例2 问题 1 这个电路的工作点是多大 有谁决定的 2 电容C起到了什么作用 如果是双电源电路是否需要电容C 3 怎样增大电路的增益 例3小电流恒流源的设计 问题 设计一个角度传感器的调理电路 该传感器工作原理是一个电位器 转过的角度和两个测试端之间的电阻成正比 分析 需要恒流源做为调理电路 U R I 如果电流固定 则输出电压和测试端之间的电阻成正比 思路 最直接的想法是利用 虚断 如果从输入端往后输送一个固定电流 则反馈通路上的负载将得到这个固定的电流 例3 问题 1 恒流源的 恒流 是多大 2 这个电路能够提供的最大 恒流 是多大 3 电路输出的电压怎样随角度传感器的输入变化 传递函数 4 恒流源的稳定程度主要由什么决定 5 电压基准为什么要反着接 怎样改进 6 在这个电路中使用虚断的前提是什么 7 这个放大电路的 工作点 是什么 例3 仔细分析上图可以发现 可以用一种更本质的方法得到这个电路 这是一个电流反馈电路 通过传感器的电流在RCRA2上变为电压 VREF和地之间的压差 这个电压被反馈到了运放的反相输入端 从而构成了一个电流负反馈电路 例4大电流恒流源的设计 例1电路的重要缺点是输出电流小 为了增大其输出电流 自然联想到使用分离元器件 例4 问题 1 恒流源的 恒流 是多大 2 这个电路能够提供的最大 恒流 是多大 3 怎样确定这个电路是负反馈电路 它具有什么样的负反馈形式 4 电路的工作点是什么 5 怎样提供更大的输出电流 例5电流 电荷放大器 如果某个传感器的机理是输入物理量和输出的电荷或者电流成正比 则我们就需要一个理想的 内阻为0 电流或电荷的 接收器 当这些传感器从反相输入端输入时 根据 虚短 原则 这个输入端将被固定在同相输入端给定的电平上 而传感器输出的电荷或者电流将被完全吸收 从而构成输入电阻为0的理想 接收器 例5 硅光电池的接收电路 电荷放大器 例6阻抗变换的例子 注意接成跟随器的运算放大器OPAM1A的作用 右腿驱动放大器OPAM1B是一个反相放大器 它的输入阻抗等于1K RDR9 如果直接将Y型电阻网络的中心点直接连接到反相放大器的输入 相当于在这个点和OPAM1B的工作点REF1 5之间连接了一个1K的电阻 这个电阻势必影响Y型电阻网络的工作 因此必须加入跟随器进行阻抗变换 心电放大器右腿驱动的电路 例7增加运放输出能力的电路 普通运放的输出能力在20mA左右 无法达到很多应用的需求 这是一个通过推挽输出的三极管增加输出电流的例子 问题 1 怎样分析这个电路的反馈 它的增益是多大 2 这个电路中为什么没有出现去除 交越失真 的二极管 运放的什么参数决定了不需要这两个二极管 3 除了三极管的饱和电流之外 电路的输出电流还由什么决定 怎样提高 例8METER BUS下行调制 METER BUS下行调制是电压调制 需要让电压在24V和12V之间切换 且工作电流较大 可能达到100mA以上 比较直接的一种想法就是 用小电流的调整电路首先产生24V和12V的电平信号 再用输出电流较大的 跟随器 来产生METER BUS的信号 例8 问题 1 功率输出部分的增益是多大 2 为什么是一个N沟道MOS管和一个PNP三极管的组合 且三极管是一个小功率管 3 这个电路有什么致命问题 问题 为什么要将运放的电源提高到30V 例9减法器 为什么说减法器很重要 实际设计中 如心电放大器和很多传感器电路 很多情况下干扰以共模形式存在 即干扰会同时出现在传递信号的两根线上 解决的办法是求两个信号线的差 运算放大器本来是一个三端器件 求出两个输入端的电压差 表示在输出端上 但直接用运算放大器求出电压之差并不是一件容易的事 原因是运放的增益很大 且不是一个恒定的值 例9典型的减法器 问题 1 这个放大电路的工作点是多少伏 2 影响这个电路精度的最重要因素是什么 3 Vref是否可以通过电阻分压产生 4 这个电路的输入阻抗是多大 根据叠加原理 这个电路的传递函数等于 VO Vref V1 V2 K其中K R2 R1 R4 R3 例9减法器电路的主要缺点 输入阻抗不够大 无法直接应用在心电放大等电路中 需要精确的电阻网络R1 R4 如果这四个电阻之间的比例关系有误差将严重影响减法器的精度 增益调节时需要至少同时按比例改变两个电阻的阻值 因此几乎无法实现增益调节 例10差分放大器 为了解决上述矛盾 有一种解决方案 在减法器前面加上一个差分放大器 该差分放大器不直接去做减法 而是完成放大 放大两个信号的差模部分 共模部分不变 留待后续减法器解决 该差分放大器还应具有以下特性 输入阻抗无穷大 能够方便的改变差模信号的放大倍数 例10差分放大器 问题 1 这个放大电路差模增益和共模增益分别等于多大 2 输入阻抗等于多大 输入阻抗呢 3 通过什么方法可以方便的改变它的差模增益 例11仪用放大器 将上述两种放大器合在一起就得到了我们常用的 仪用放大器 AD620AD623AD8220INA110INA118等等 例11仪用放大器 由差分放大器提供的很高的输入阻抗 由激光修订的非常准确的电阻R1 R4 价格较高的原因 提供很高的共模抑制能力 可以通过电阻Rb进行方便调节的增益 输出的是两个信号的差 但这个差的表示方法是相 对于可变的Vref 也就是实现的电平的平移 例11 仪用放大器使用注意事项 不要轻视5脚Vref 因为它等于是提供了输出的参考点 可以用它将输出变换到所需的任意电平基准上 单电源应用正是基于上述思路 Vref引脚输入电阻不是无穷大 不可以由电阻分压产生 仪用放大器的共模抑制比和增益成正比 输入信号电平不能超过电源范围 例12最精彩的一例 利用极低的失调电压的运放 不切断导线 直接测量导线上流过的电流 有