原创 运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)4

14.双电源运放改单电源，为什么要取其中点电压供电？

问：

能否从原理角度详细分解？还有怎么选择此电压对幅度的限制？还有 -3dB的概念怎么解释？

答：

(1) 因为一般的运算放大器是用来对交流信号作放大作用的，交流信号在经过运放时如果只是和地电平做比较的话，将会把交流信号的下半部分“吞噬”掉。

所以我们采用电源的中点电压作比较的话，负半周的交流信号可以几乎没有损耗的被放大。这也就是大家常说的抬高交流信号的直流电平。

(2) 如果只是对直流信号放大(正电压)，我觉得可以不加中点啊，如果加电源远远大于输出要求电压，也可不必将中点电位抬到一半，可以这样理解：运放加的两电压(+15V +15V和0V -15V和0V等)根据输出要求不同，中点电位只要在两电压之间就可以，中点电位与上下电源差值决定输出大小(不失真时的)。以我的经验，单电源的中点电位是针对运放的所有输入和输出脚的，要求高点的场合还要求相位不能偏移(如高档的低音炮等)，也就是说用电容隔直还满足不了要求。

(3) 这要看ICMR（input common mode voltage range)了，如果输入范围很宽比如rail-to-rail，那未必需要将

输入钳制在vdd/2。

15.关于弱信号提取和放大

问：

我要做一个弱信号的提取和放大电路，问题在于我的弱交流信号是叠加在一个强直流信号之上的。弱信号为 10nA、8Hz交流电流，直流信号强度为1.4mA，请问各位大侠，我如何才能把交流信号提取、放大呢？

答：

你好，可用一个由积分器等构成的调零反馈电路将跨阻放大器输出的大直流信号稳定地消除。根据交流信号的传输准确性要求，可适当选择积分器通带频率fL为8Hz的1/n,既：8Hz=n*fL，通常选n为4-7。有许多70年代的调零应用和文献，得查一下。此状况与一些微弱光信号检测极为相似。

16.请问运放上的+-15V电压不稳定是不是也影响输出波形？

问：

请问运放上的+-15V电压不稳定是不是也影响输出波形？

答：

(1) 电源电压的波动会影响到输出的，但是对于输出能影响到多少，运放中有个参数PSRR可以体现出来，例如PSRR＝80dB就是说电源每变化1V输出变化100uV。

(2)不稳定的电压当然会影响输出波形，影响幅度取决于运放的PSRR。要解决这个问题，需要加强运放的去耦设计和电源的设计(一般用LDO线性电源给运放供电)。

(3) 你好！PSRR是电源抑制比的总称。一般有3个具体参数：+PSRR，-PSRR，+/-PSRR。表示从某个电源端或两个电源端分别或同时异向低频变化，在运放差分输入端引入的传输或影响量值。如所分析的：?S

Vps=1V的电源变化，在PRSS=80dB运放输入端，导致?SVdi=100uV的变化（PSRR=20log?SVps/?SVdi）。于是运放输出电压产生的变化：?SVo=?SVdi（1+Rf/Ri）；Rf--反馈电阻，Ri:输入电阻。供参考。

17. AD采样中运放的运用

问：

如果我用于采样的信号的电压范围正好和AD的输入电压范围相同，我是否可以不用运放直接连接？为什么要用运放来进行阻抗匹配？怎么匹配？运放怎么选择？先连接运放然后用RC滤波还是直接将运放做成有源滤波器？

答：

(1) 本人看法：为交流或直流信号，有必要加运方，可有隔离，滤波作用顺便讨论一个问题：若一个 ADC的速度为200KSPS，那是说明它的采样频率为200KHz吗？那根据奈奎斯特定理，能采的信号最高频为 100KHz，不知这么理解对不对？

(2) 对的，ADC的速度为200KSPS，根据奈奎斯特定理，能采的信号最高频为100KHz，已经到极限。不过我认为：如果待测电压的内阻远小于测量电路输入端的内阻，且待测电压小于测量电路允许值时不需要加运放，优点是电路简洁，免调整，减小累计误差。滤波可根据需要考虑。

(3)多谢回复！再问一下您，若被采集信号为交流量，那么输出的数据应该是瞬时值吧，那这些值是再输入到比如DSP中，通过软件计算出有效值呢？还是通过什么数字滤波器之类的，滤出有用频段的信号？

(4)这个问题应该从你设计产品的要求来确定，如果要求输出图形你的滤波器频带宽度必须放宽，特别是高频段，保证图形不失真。如果要求测量并实时显示数值，应该保证在视觉观察无闪烁的时间内计算信号最精确的平均值，滤波器频带宽度可以窄到滤除你不想要的数据。如果不需显示单纯做记录仪，最好完整的保存数据，滤波器应该滤除理论上信号源不可能产生的频率。以上谈的其实也是数字技术在电子测量方面的优势。

(5)多谢回复，还想跟您讨论一下，比如ADC采样交流信号后，仅要求显示，不输出图形，若以 T秒采样那么得到的信号就会以1/T的频率重复原始频谱，那么是否需要一个数字滤波器滤掉与原信号频谱不同的频率，还是是否应该计算的是有效值呢？若为平均值，那么比如正炫信号则为0。

(6) 逐次逼近型A/D变换的输入阻抗一般都较低，为避免对信号的影响和对前端信号的调理往往在输入要增加一级缓冲或可变增益放大器。所有对信号的模拟处理都要在前面完成，让调理过的信号峰 -峰值尽量到A/D的满档值。既然将模拟信号数字化了，如果时间容许最好用数字方式处理采集的信号，这样可以减少额外的开销和模拟系统对信号的畸变。如果A/D采样仅仅只显示有效值没有必要这么做，有其他许多简单廉价的方法(有效值测试可以直接用RSM/DC变换器芯片。AD公司的AD536，AD636，AD637等都可以，如果是简单测试要求不高可以利用二极管整流后得到有效值。在小信号或高频时误差大。还有非线性问题，如果后续有单片机可以用软件校正)。无论前级加了什么性质的运放或缓冲器都要满足被采集信号对带宽和压摆率的要求。对16位的A/D选择时运放时还要考虑与温飘有关的参数。对高速的A/D最好选择电流型运放，因为建立电压需要时间。

18.一路分多路芯片

问：

一些重要控制信号，一方面要进采集做控制用，另一方面希望可以在计算机上显示。有没有这样的芯片或电路，可以将一路信号输入转换成多路的输出，而且各路输出间互不干扰，相互独立。

答：

(1) a、若是数字信号,用多个缓冲器就可以解决问?}. b、若是模拟信号,用多个足够带宽的运放做缓冲器就可以解决问?}.

(2)我的是模拟信号，有的模拟信号在下位机做控制信号，同时又希望在上位机检测这路信号，在上位机上显示。故希望能有一路模拟信号分出两路的电路或芯片。请多指教。

(3)采用LM324 不知道和不和你用——此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。而对信号源的影响极小。因运放Ai输入电阻高，运放A1-A4均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端，相当于同相放大状态时Rf=0的情况，故各放大器电压放大倍数均为1，与分立元件组成的射极跟随器作用相同。

19. D类音频功率放大器的背景噪声问题

问：

请教大侠，做的是手机，可以放mp3的，用D类音频功率放大器，播放铃声和mp3的时候，都有明显的背景噪声，问过供应商，他们说放大器本身的噪声很小，应该是电源的噪声。如果是电源的噪声，应该怎么消除呢？

答：

(1) 第一：电路设计有问题，很多电路设计的时候由于过多顾忌成本的问题，导致本来应该加上的腿耦电容，旁路电容或者是一些电感就被当作可有可无的东西给去掉了，看起来没有什么问题，但是等到产品出来了，问题也就出来了。

第二：元器件的选择，很多mp3里面会有一些电感元件什么的，有些元器件是比较便宜，但是漏磁也是严重的，造成对住IC或者是周边电路的干扰过大，导致静噪声出现。

第三：电路板的排布也会导致噪声的出现。

第四：软件设计的时候没有考虑到，在静音的情况下，主IC还是在做音频输出的工作，尽管声音似乎是被静止了，但是电流还是一点点的流向输出端子，造成静噪声。还有一种就是对于声音的大小在软件中的定义的步长有问题，步长过大也会导致看起来静音但是电流还是在流向耳机输出端。

(2) 解决噪声一定要找出噪声源，可用示波器类的仪器检查，也可用不同的信号源、放大器、电源互换比较，找出问题才有解决的办法。

20.有关光耦放大器问题

问：在这个光耦放大器中，在B实际电位2.3V左右，因此光偶基极静态电流约1.4mA，输入信号放大后经A点进入，经光耦输出一个较大电流，再经电阻输出电压，然后进入后置放大输出。电流转移比约150。请问在理论为何上A、B能测到波形而在在C点测不到波形呢。另外电路频率响应该如何分析呢？

答：

粗看此电路，逻辑上是通的。欲得等比/线性传输，两光耦的电流传输比与两边的等值标称元件的参数需要线性匹配——简单地说：就是各工作点参数相等，对偶元件数值相等或等比。整个电路必须工作在线性区域内。一般，信号通带不会超过200KHz。光耦的典型开关上升时间：tr>=5uS，它的非推挽的电阻上拉输出结构，运放带宽和运放的反馈电容C构成了限制带宽的主要因素。验证时，建议先（施加）直流 --便于测量各点工作电压，工作状态正常后再施加交流信号。供参考。