原创 运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)2

5.紫外线传感器输出的电流放大问题

问：

传感器输出的电流大概是几十nA左右，但小弟在前面的放大问题上就碰到问题了，特向高手们请教芯片应该怎样选择，电路应该怎样设计才更好，先谢谢了。

答：

(1)你可选用FET输入级的OP如LF356A；LF351连接成倒相型OP电路；反馈电阻100M欧姆在10V输出时相当于100nA/1V输出时相当于10nA,你的传感器就是输入端的串联电阻；反馈电阻可以不并电容，有屏蔽即可稳定工作。

(2)选输入阻抗大的，温漂小的运放如AD8551。注意输入信号的屏蔽，可用屏蔽线或双绞线。可以将运放的输入脚在印板的上方与输入线连接（不要在印板上走线）。这么小信号，你的传感器的温漂会影响很大。

(3)你的信号刚好允许《在无离子污染的》PCB上走线，用129成本稍高，LF351是较经济的，他的Ib小于 0。01nA刚好合你使用！

6.关于单电源运放应用

问：

如果输入信号以系统地为参考，必须加电容耦合吗?我实际测试，无论是正，反相输入，运算都不工作。不理解。

答：

(1) 电容耦合是隔离直流分量的，不工作可能是没有静态工作点造成的。

(2)这个问题我正好遇到过，我是这样理解的：

a、一般地，噪声电压与参考电压成正比，噪声则随参考电流的增加而减小，因此，降低噪声的有效途径是采用外部噪声滤波器，对电压参考进行滤波以获得低噪声性能。

b、交流信号放大电路或音频放大电路中，也可采用电源偏置电路，将静态直流输出电压降为电源电压的一半，基于单电源工作，但输入和输出信号都需要加交流耦合电容。

c、采用单电源供电是要付出一定代价，一些输出参数势必会变差，可能出现失真或饱和。因此需要酌情考虑。以上供你参考。

(3)一般运放以双电源工作时是以（（V+）+（V-） ））/2=0V作为参考电压的，运放工作在中间的线性区。运放若以单电源供电，仍应当将电压参考点设置在（

（（V+）- 0V）/2=（V+）/2处。若是反相放大器，应当将同相输入端的参考电压设为 V+/2，反相输入端的输入信号也应当以 V+/2作为参考点。当输入信号接近 0V或 V+

时，会使运放工作在非线性区，放大器输出会出现饱和失真或截止失真。

7.如何测试运放的驱动能力？

问：

根据我现有的设备，示波器的探头 R="10M" ohm,C=15pf,实际上我们设计的运放的驱动能力最大才 1Mohm, 5pf，用现有的示波器发现很难测试。不知道一般有些什么方法。谢谢!

答：

要解决这个问题比较简单，根据信号带宽和噪声要求，你可以在示波器探头和运放输出端之间加入一个放大器就可以了，你只要选择好正确的放大器来完成这个中间级放大器。

7．请教小信号放大问题

问：

我现在遇到一个信号放大问题，具体信号如下：没有信号时是 7mv的直流电压，有信号时是 7mv为 0，12mv为 1的方波（100k，20%占空比，上升下降沿小于 0.3us)，输出阻抗 3k。

我想放大成ttl电平，请问如何搭建电路？用什么运放？我原来用的是 sgm8052和 8552，采用反向放大，单电源。但是不行。因此我想请教一下，应该采用什么运放？什么电路。最好能够有一个电路图，谢谢了。

答：

解决这个问题有两种方法：

a、用交流耦合放大器提取出+5mv的方波，然后进行限幅放大器放大，即可得到没有相位移动的 TTL方波信号。b、用交流耦合放大器提取出+5mv的方波，并放大到一定信数，然后用比较器去完成方波信号到 TTL方波信号的变换。

8．用单电源做高低通滤波器

问：

双电源做高低通滤波器，那是一点问题都没，但要在单电源中做好好像不是很好，曲线老是不好，有高手可以帮忙吗？

答：

(1)单电源供电作有源滤波器的确很麻烦，关键问题是一个滤波器往往不只一节，各节的直流工作点很难协调。双电源就无此问题。但是，有些情况下也是可以解决的，从末极开始，工作点取在 1/2电源电压处，往前推，逐渐降低工作点电压，并使无信号输入时，末极不要处于饱和或截至状态。

(2)还不是很明白您说的方法，为什么需要从末级向前逐级下调呢？如果单电源时输入输出的静态工作点都稳定在Vdd/2，和双电源有什么区别呢？是因为考虑offset的影响？请指教！

(3)滤波器响应曲线和供电方式联系并不大，只是电路形式需改变而已，主要是改进偏置电压和电流，电平移动。当然选择滤波器类型最重要。

9. AD620可变增益电路设计的问题

问：

我最近想用Ad620作一个可调节增益的放大电路，后面接16位的ADC，所以对放大电路的精度要求挺高。使用模拟开关调节增益电阻达到增益倍数的改变。问题是：Ad620的输入不为差分信号。我测量的信号输入为单端信号，我将 IN+接“单端信号的信号端”，IN-接“传感器GND”，输出为单端电压信号，ref输出接地(和传感器GND连接)。但是我不知道这样接是不是不好？可能共

模误差大。有没有更好的设计方案。如何降低共模误差？输入就是两根线，一个是传感器信号线，另一根是传感器地线。如果IN-接地，则IN-上的共模干扰信号会直接接到地上减弱，而IN+上的共模干扰信号依然在，则 AD620输出不能降低共模噪声可不可以将输入浮空，也就是将IN+接“单端信号的信号端”，IN-接“传感器GND”，但是“传感器 GND”和 Ad62供电的地相互隔离，ref输出接电源地。这样输出信号为IN+和IN-的差值，如同差分信号一样可以降低共模干扰。但是两个地电位不同，应该会出现问题，如何才能实现如上的思路。如何保证IN-接的地和真正的电源地接近，同时IN-上的共模噪声依然存在(IN-地和ref引脚接地之间“隔离”)，这样AD620的输出可以最大限度的降低共模噪声。

这种设计需要注意什么？如何才能提高信号精度，因为后面是16位的AD。

答：

楼主提的问题实质上是如何实现一个单端信号与差分信号的转换问题。这个问题非常普遍。问题的关键楼主已经清楚地表述了：“如果IN-接地，则IN-上的共模干扰信号会直接接到地上减弱，而IN+上的共模干扰信号依然存在，则AD620输出不能降低共模噪声。 ”仔细分析这个问题，发现我们只要搞清楚 AD620是否可以单端使用就可以了。可以把问题分成两种情况看一下：

a）如果AD620的IN-可以直接接地使用。因为传感器输出是一个单端信号，本来就有一端是地，如此接法，实质上就是把传感器和测量电路这两个系统共地而已，不存在不能降低共模噪声这样的问题。当然前提确认是IN-引脚是否能够直接接地就可以了，这是AD620自身的问题，与传感器无关。

b）如果AD620的IN-不能接地使用。可以考虑把传感器的单端信号通过一个差分放大器转换为差分信号即可。因此，我觉得只要测量电路可以接收单端信号就可以了，接法不是问题的关键。

10.运放实现的精密整流电路，仿真和实际电路结果不一致问题

问：

我用运放和二极管实现精密半波整流，电路如图1所示。半波精密整流电路的输入电压是前级电路（运放构成的加法器）的输出信号（峰值为±5V、频率为 50Hz的正弦波），仿真结果如图2所示。实际电路中，运放采用±12V供电，运放我用过LM324和OP07，二极管用过FR103、IN5819、IN4007，最终的结果都一样（直接拿示波器观察）－－输出的半波信号向下偏移，如图3所示。

我实验过很多次了，都是同样的结果，现在分析不出具体原因，请高手指教，万分感谢。

答：

产生此种现象的原因主要是D1和D2两个二级管反向恢复电荷抽取时间的影响，当输入信号从正电压变成负电压时，放大器输出端会从负电压变成正电压(接近+12V)，此时D2导通，运放提供电流，电流经D2去建立反馈。由于D2,D1的反向电荷没有办法抽取，或抽取电流大小，D1会维持导通一段时间，因此才会看到实验中的现象，建议你在D2正极和运放输出端之间加入一个K级电阻值的电阻，运放输出端和整流输出端对地接一个电阻。第二种改进方式是用两个模拟开关来代替两个二级管，增加一个比较器来判别INPUT信号的极性并控制模拟开关的闭合，这是最好的设计方式。