运放的应用实例和设计指南

.1.1 运放的典型设计和应用1.1.1 运放的典型应用运放的基本分析方法：虚断，虚短。对于不熟悉的运放应用电路，就使用该基本分析方法。运放是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。1) 运放在有源滤波中的应用 图5.2 有源滤波上图是典型的有源滤波电路（赛伦-凯 电路，是巴特沃兹电路的一种）。有源滤波的好处是可以让大于截止频率的信号更快速的衰减，而且滤波特性对电容、电阻的要求不高。该电路的设计要点是：在满足合适的截止频率的条件下，尽可能将R233和R230的阻值选一致，C50和C201的容量大小选取一致（两级RC电路的电阻、电容值相等时，叫赛伦凯电路），这样就可以在满足滤波性能的情况下，将器件的种类归一化。其中电阻R280是防止输入悬空，会导致运放输出异常。滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为 巴特沃兹，单调下降，曲线平坦最平滑；切比雪夫 ，迅速衰减，但通带中有纹波；贝塞尔（椭圆），相移与频率成正比，群延时基本是恒定。2) 运放在电压比较器中的应用 图5.3 电压比较上图是典型信号转换电路，将输入的交流信号，通过比较器LM393，将其转化为同频率的方波信号（存在反相，让软件处理一下就可以），该电路在交流信号测频中广泛使用。该电路实际上是过零比较器和深度放大电路的结合。将输出进行（1+R292/R273）倍的放大，放大倍数越高，方波的上升边缘越陡峭。该电路中还有一个关键器件的阻值要注意，那就是R275，R275决定了方波的上升速度。3) 恒流源电路的设计如图所示，恒流原理分析过程如下：U5B（上图中下边的运放）为电压跟随器，故;由运算放大器的虚短原理，对于运放U4A（上图中上边的运放）有： ；而；;有以上等式组合运算得：当参考电压Vref固定为1.8V时，电阻R30为3.6,电流恒定输出0.5mA。该恒流源电路可以设计出其他电流的恒流源，其基本思路就是：所有的电阻都需要采用高精度电阻，且阻值一致，用输入的参考电压（用专门的参考电压芯片）比上阻值，就是获得的输出电流。但在实际使用中，为了保护恒流源电路，一般会在输出端串一只二极管和一只电阻，这样做的好处第一是防止外界的干扰会进入恒流源电路，导致恒流源电路的损坏，二是可以防止外界负载短路时，不至于对恒流源电路造成损坏。4) 整流电路中的应用 图5.5 整流电路上述电路是一个整流电路，将输入的一定频率的脉冲整流成固定的电平电压，再用此电压控制4-20mA电流的输出电流。该电路功能类似一些DAC功能的接口。5）热电阻测量电路 图5.6 热电阻测量电路上图的电路是典型的热电阻/电偶的测量电路，其测量思路为：将1-10mA的恒流源加于负载，将会在负载上产生一定的电压，将该电压进行有源滤波处理，处理后在进行信号的调整（信号放大或衰减），最后将信号送入ADC接口。该电路应用时，要注意在输入端施加保护，可以并TVS，但要注意节电容对测量精度的影响，当然，如果在一些低成本场合，上述电路图可简化为下电路 图5.7 热电阻测量简化电路6）电压跟随器在运放的使用中，电压跟随器是一种常见的应用，该电路的好处是：一是减小负载对信号源的影响；二是提高信号带负载的能力。 图5.8 电压跟随器上图是运用运放实现了电阻分压的功能，首先用电阻获得需要输出的电压，然后用运放对该电压进行跟随，提高其输出能力。7）单电源的应用在运放的实际使用，我们一般为了保持运放的频率特性，一般都采用双电源供电，但有的时候在实际使用，我们只有单电源的情况，也能实现运放的正常工作。首先我们运用运放跟随电路，实现一个VCC/2的分压: 图5.9 分压电路当然，如果在要求不是很高的场合，我们可以直接电阻分压，获得+VCC/2，但由于电阻分压的特性所在，其动态的响应速度会非常慢，请谨慎使用。获得+VCC/2后，我们可以用单电源实现信号放大功能，如下图：图5.10 单电源的应用该电路中 R66=R67/R68， 信号的输出增益G=-R67/R68 。具体应用如下图运放为单+5V_AD供电，AD芯片的电压是3.3V（基准电压芯片REF3033得到），该3.3V再电阻分压和经过运放跟随后得到1.65V，给到运放的同相输入端图5.11 单电源差分输入并放大的应用 1.1.2 运放的应用要点 运放单电源供电工作的运放一定要加直流偏置（如图5.11中的REF1.65V_AD），否则运放无法工作运放普通运放不能直接驱动容性负载，若驱动容性负载，必须用电容进行相位补偿或输出串电阻再接负载运放同向放大器的输入端一定要对地加偏置电阻作为直流通路 上图为典型的同相放大器。其中，同相输入端的对地电阻R2有两个作用。第一个作用是通过电阻R2给运放的同相输入端提供一个对地的直流通路，使得运放内部与同相输入端相连的基极通过电阻R2与负电源构成回路以形成基极电流（参见下图）；。R2的第二个作用是要保证运放的同相输入端和反相输入端的外电路的对称性，或者静态参数的对称性，以充分保证运放差分放大器形式的输入级的共模抑制能力，故应满足R2=R1Rf。运放对外接口的运放输入端，要在正负输入管脚并联一个TVS管，防止运放因为输入信号电压过大产生极性反转，形成寄生假信号输出。运放增益10倍以上的放大器电路,要注意控制运放的GWB带宽增益积，防止器件自激。运放单电源运放使用中，+Vcc/2虚地点设计除了直流电位要注意稳压(最好选用基准电压芯片输出该值)外，还要确保低阻抗的交流退耦，即对地并联至少10uF以上的低频退耦和0.1uF以下的高频退耦。运放带功率的运放的输出端要对电源和地线使用开关二极管进行钳位保护，尤其是挂接感性负载时。运放在使用多路运放处理多路信号时需要注意，防止其中某一路信号的瞬时变化对另一路信号产生串扰，所以，设计时建议不要用一个运放处理多路信号，尽可能一路信号一个运放处理。运放运放芯片基本上都是ESD敏感器件，运用时注意。运放未使用的运放（多路运放中多余的通道）的引脚不应该悬空，也不应该将输入接地或接正负电源。建议将它接