原创 运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)5

21.信号调理方案

问：

我要进行材料应变测量，采用的信号调理方案如下：

一、设计初期，通过低通滤波器，滤波，信号受系统的温度漂移影响较大。无法检测有用的信号。

二、由于电桥输出电压大约5毫伏（0~100HZ），采用AD620前置放大，用MAX038提供方波参考信号，通

过乘法器AD534将被测信号调制成10K的交流信号，交流放大（AD620），通过带通滤波器MAX275滤除高次谐波，最后进行相敏检波。同时，我还用铁丝网将电路板屏蔽（屏蔽网接地）起来。但是，输出信号不稳定，达不到测量精度第一个方案，已被否决，现在请各位高手指点第二方案的问题出在哪里，是否还有其他的方案？

答：

电桥输出5毫伏信号，按理说不算太小,直接用仪器放大器，不用交流调制，也应可以。以下几点可注意，a.电源需要很稳，波纹系数要小。b.第一级放大不要太大，小于100吧，然后再加第二级放大。c.先把第一级放大后的信号质量搞好，再看后面的电路。对于这样的信号，在电路侧信号两端并一个高质(漏电小)的几 uF的无极性的电容会有很大好处。第一级输出信号可以有些噪声，但不应漂移。经过第二级带有低通放大后，噪声就会改善。你现在的问题可能发生在第一级。供参考。

22.电荷放大器的零漂问题

问：

压电加速度传感器一般会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可是在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生，如何解决？我的加速度传感器量程大约在30000g左右，被测信号频率在30kHz以下；压电传感器和电荷放大器连接后，静态时（传感器未受冲击）电荷放大器的归零非常好，当传感器受到冲击后会产生零漂，按您说的调节反馈电阻的方法有一些作用，我想知道调节反馈电阻这种方法有没有定量的推导？

答：

(1) 有几种几种可能性会导致零漂：a、反馈电容ESR特性不好，随电荷量的变化而变化。b、反馈电容两端未并上电阻，为了放大器的工作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上方亏电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点。c、可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂。

(2) 不知道你所说的不归零是怎样一个具体的情况，你的输入信号的频率多高？静态时能归零吗？也许你应该把示波器观察到的波形贴上来才好分析。电荷灵敏放大器跨接在放大器两端的电容准确叫法是“积分电容”而不是“反馈电容”，它的 ESR并不会随着电荷的多少而发生显著的改变。毫无疑问，积分电容上的电荷应该有泄放通道，通常简单起见可以并联一个高阻值的电阻，但会恶化噪声特性。发生不归零，可能的情况可以是：

a、输入信号频率太高，造成积分器电荷堆积，因为积分器放电需要一定时间。尝试降低输入信号频率试一下看能否改善，如果是这个原因，可以降低反馈电阻的值应该能改善

b、积分器的静态偏置有问题，比如没有考虑失调电流Ioffset，失调电压Voffset的影响。可以接上传感器但是使传感器处于无信号输出状态，观察放大器输出是否归零。不归零还可能。

(3) 对于电荷放大器输出电压不归零的现象，一般采用如下办法来解决：a、采用开关电容电路的技巧，使用 CDS采样方式可以有效消除offset电压。b、采用同步检测电路结构，可以有效消除offset电压。

(4) 电荷放大器的零漂主要来自输入电路的失调电压、失调电流及输入反馈电阻，当信号频率趋于 0时，漂移干扰源 eN与输出漂移 eO之间有如下关系： eO/eN＝1＋（gt＋gc＋gi）/gf 其中 gt、gc、gi、gf分别为传感器、传输电缆，信号输入端的电导及反馈电阻的电导。由此可以看出：为了使输出漂移小，除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话，根据 fL＝1/2PI*Rf*Cf,又会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑。

23.音频电路开关机冲击声的解决

问：

一些音频设备在开关机常有 “啪”的冲击噪声，请教专家这种噪声产生原因是否与音频放大电路有关系？克服这类的问题有没有什么可行的办法？

答：

(1) 通过音频功放的软启动即可解决

(2) 通常是开机瞬间功放电路的偏置电路尚未完全建立，造成的瞬态冲击电流对扬声器的冲击所产生。解决的办法： a是调整各级偏置的时间常数； b是增加延时开通输出的电路； c是让功放电路的偏置电压缓慢上升。

(3) 这是由于电源噪声导致音频性能变差。故应采用独立稳压块为音频部分单独供电，以保证电源质量。另外，音频在需要时方可允许输出。有些音频 IC有一个 SHUTDOWN或者 MUTE引脚，可以实现该控制功能。如果没有这一控制引脚，则需要增加额外的电平开关电路来控制音频信号。同时，在程序设计时有一个使能的时机问题，上电时应适当延迟后再打开，以避免串入音频电路的令人讨厌的电源噪声，一般延迟 100ms-500ms左右。一旦音频输出完毕，还应再延迟 100-500ms后关闭（屏蔽）输出，不只节省了不必要的消耗电流（因为大多数的音频 IC的工作电流较大，发热较高），而且还有效降低了噪声干扰。

(4) click-pop声和音频功率放大电路具有直接的联系，产生 click-pop声的原因在于放大器和喇叭负载之间的耦合电容以及反馈回路中的电容。在开机和关机过程中，运算放大器建立自己的相应工作状态，会对这些电容进行充电或放电。由于电容两边的电压不能突变，当电容一边的电压突然变化时，在电容的另一边的电压也会突然变化，这个变化的电压尖脉冲传到喇叭时，就会产生 click-pop声。这种 click-pop声，在使用单电源放大器时更需要特别注意。为了克服 click-pop声，人们常采用如下方法：a、使用 click-pop声抑制功能的音频放大器；b、对于单电源放大器，放大器输出和喇叭之间采用差分互连直接耦合；c、对于单电源音频放大器，常常采用负电压电荷泵技术来产生负电压，这样放大器和喇叭负载之间可以直接耦合 d、采用双电源供电的音频放大器并注意反馈回路中的电容取值e、对放大器上电顺序进行适当的控制。

24.运放单电源电路的偏置问题

问：

我想请教一下，双电源运放在接成单电源电路时，作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好？

答：

(1) 接参考电压源比较好，电阻分压偏置会随温度的变化而飘移，但参考电压源成本高。

(2)一般来讲，双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的话，效果最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的 PSRR。若采用电阻分压方式，必须考虑电源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高， PSRR比较低。

(3)如果电源本身就很稳定，采用电阻分压网络无疑是最廉价、最简单的。如果采用基准电压，效果最好，典型的基准电压器件可用 TL431。

25.运算放大器的静态电流大小测量问题

问：

请问：运算放大器的静态电流大小怎样测出来的啊？

答：

(1)关于集成运算放大器的静态（电源电流：Icc/Iee）电流的测量方法，在行业标准：SJ-XXXX（具体标准代码忘记了。但可联系电子部4所查询）有详细的定义与规定。估计在IEC和 MIL标准中也都有。

简单并基本符合原则要求的测量方法如下：双电源情况时，将被测运放搭接成一个“地电位跟随器”。既：其输出端与反向输入端短路连接，同向输入端接地（既：正负电源的公共端 --线路中的参考电位端）；运放对地不接负载电阻 --既负载电阻无穷大。分别测量在规定的输入电源电压条件下的流入或流出电源端子的电源电流 ---在电源与运放电源端子之间串入（低内阻的）电流表。通常，Icc=Iee。单电源测量时，仅需将运放同向输入端连接到一个由另一独立电源形成的（Vcc-Vee）/2的独立电位端点（以Vee为参考点），其它不变。供参考。(2)可以选用圣邦微电子的SGM8524，SGM8524为４通道微功耗运放，静态电流每通道 4.7uA，带宽 150KHz，轨到轨输入输出，工作电压2.1～5.5V，工作温度-40～125摄氏度。应该可以满足你的要求。

(2) 谢谢！想再一下，如果双电源供电，电源不对称，静态电流会怎样的变化呢？

(3) 通用电压型运算放大器的内部结构主要由：输入差分级、中间增益级和输出缓冲级组成。三级均需设置稳定的静态工作点。为此，前级、中间级与末级的偏置电路多采用恒流源结构 ---以获得稳定的静态工作点和优异的 PSRR（电源抑制比）等特性---并由此形成静态电流的主部随电源电压变化不大的高阻特点。静态电源电流随电源电压的改变部分，主要由跨接在Vcc到Vee之间、设置恒流源大小的电阻分压与基准等部分构成，数值通常约在：15K~2M欧姆之间。

通过上述分析，可得出如下结论：双电源供电、不论两电源电压是否一致，其两电源端子之间的静态伏 -安特

性基本与单电源的特性一致，并在一定的区间内与晶体管输出特性曲线一致，呈现高阻特性 ---即曲线斜率较小。也可由此看出，使用晶体管曲线特性图示仪（C+连接Vcc,E-连接Vee,扫描极性：NPN+，运放其余端子均开路）也可测出近似等效单电源的静态电源电流。由此，可以了解电源电压改变时，运放电源电流的变化特性。

26.反相比例放大电路不能工作

问：

我现在电路中用运放是TLV2772，反相端输入电阻是10K，反馈电阻用的是100K，输出竟然是VCC，变成了比较电路。把反馈电阻变成10K后，结果正常了（能实现反相比例运算）。请各位前辈帮我看看问题出在哪里？

答：

(1)如果反相输入电阻一直是10K而反馈电阻改变为100K和10K时，电路的放大倍数应分别为10倍和1倍，如果输入相同的电压值，10倍时输出电压可能大于电源电压，放大器饱和。所以请你同时说明输入电阻的值有否改变，以及输入电压的变化范围，以便分析。

(2) 谢谢各位前辈们的指导，问题查出来了，的确是输出饱和了。运放工作在非线性状态。刚开始我有个错误理解：那就是只要构成负反馈，运放就工作在线性状态。所以当时测量运放输入两脚，发现不是虚短，以为运放坏了。

27.不共地对测量的影响

问：

我需要采集一电桥输出的差分信号，该电桥由一15V电源供电，输出差模电压30mV左右，我的采集系统由另一20V电源供电，此时采集系统放大器输入端的会可能承受多大共模电压？由于这个采集精度要求为万分之三，在两电源不共地的情况下，是否会影响采集精度。

答：

(1)你的理解基本正确。这种应用最好信号调理和传感器部分使用不共地的电源，可以极大减小共模电压的影响。

在两边共地的情况下，如果共模电压是 15v/2（具体取决于你的传感器），共模抑制比为 100dB，则有效的（与差分信号同样被放大）共模输入信号为： 15/2/100000=75uV，由于共模电压引起的误差为： 75uv/30mv=0.25%，达不到你要求的 0.03%的要求。

(2) 多些楼上的回答，但是还有一点，就是如果传感器和信号调理电路不共地的话，传感器输出电压相对于信号调理电路的绝对值（即共模电压）就不能确定是多少了（而且这个值是不是应该还会随外界情况变化吧），就好象用电压表去量两个电源负极的电压差，这个值是不固定的，受外界影响很大，这种情况引起的误差就不可补偿了（应该可以这么表述吧）。如果这个共模电压低于 1V则我以 100db的共模抑制比将差模电压放大 100倍就可以误差仍然在范围以内，显然是有可能超过 1V。所以在两边不共地情况下希望高手给我点提示看可以怎么解决这个问题。题外话，如果采用两边共地的情况这是虽然相对有较高共模电压但是由于其是以固定值，所以要补偿的话相对容易可惜我的电路不能采用这种共地的形式。

(3) 共地情况下，传感器输出信号是差分与共模成分并存的，二者同时被调理电路放大，前面已经说过，你的具体例子不能满足精度要求，你不可能只放大差分信号而不放大共模信号，所能做的就是选用 CMMR高的放大器，加上共模补偿电路（使得差分信号输入为 0时调理电路输出也为 0）。在不共地情况下，设两个地之间的隔离电阻是 Ziso，传感器输出阻抗 Zo，调理电路输入共模阻抗 Zi，则输入到调理电路的共模电压为： INcomm="Vsense"_out_cmm*[Zi/(Zo+Zi+Ziso)],如果你的信号是 DC或者很低频信号，很容易实现 Ziso>>Zi，比如说 Ziso="100Zi"，则调理电路输入端的等效共模电压为 Incomm="1/100" * Vsense_out_cmm,即有效共模电压成分被压缩为共地情况的 1/100(40dB)，从而无需对共模成份进行补偿。

(4) 多谢帮忙，令我对这个问题的看法已经清晰多了，有一点再请教一下，一般为使测量部分电路对传感器影响较小，都必须用较大的输入阻抗，不然像桥式电路这样的会出现分流影响了结果 比如我选用的仪用差分放大器为 BB的INA118，其共模输入阻抗为 10e+10欧姆这么高的输入阻抗我想应该比两地隔离电阻 Ziso高吧，这个 Ziso我想可以理解为绝缘电阻吧，在不同环境下（温度、湿度）为兆欧级的变化，所以可以说是 Zi>>Ziso,根据那个公式 INcomm="Vsense"_out_cmm*[Zi/(Zo+Zi+Ziso)], INcomm近似为 Vsense_out_cmm，则其情形与共地测量情况一样了，仍需作共模补偿。

(5) 你的理解也不能说错。不过，你忽略了很多其他方面的因素：针对你具体选用的 INA118，正如你所注意到的那样，他的输入阻抗高达 10Gohm，但从这点上看似乎对传感器电桥的影响可以忽略不计。但是，运放的使用也有另外一个需要注意的地方，就是它的输入偏置电流， Ibias="1na"(ty.)，如果在 INA118的输入端与地之间没有电阻，偏置电流没有泄放通道，它将在运放极高的输

入阻抗上"产生"显著的电压（Ibias*Zin_comm），这个等效为输入放大器的额外共模电压。此外，由于仪表运放的非理想对称结构，还存在由失调电流（ Iin_offset，+-两输入端的偏置电流差值）在输入阻抗上产生的等效差分输入电压。由于失调电流温漂和时间漂移，最终由它引起的等效差分输入电压也是个变数，所以，实际的应用电路中，必须考虑这些因素。作为一个参考，可以考虑输入失调电流引起的差分电压跟失调电压（Vin_offset）处于同样水平，对于 INA118，可以计算出偏置电流泄放通道的等效直流电阻应满足： Rbias="Vin"_offset/Iin_offset=10k~100k范围。

你可以自己画画在不共地情况下的等效电路图，考虑上面说的引起误差的因素，自然可以评估最后的总误差。在为运放提供了偏置电阻 Rbias（+，-对运放地）后，偏置电阻对传感器的等效并联阻抗为： Rbias+Ziso，并非以 Rbias数值直接影响电桥！象你这种较高精度测量要求 (误差<10uv)，还要考虑噪声的影响，需要在运放输入端加低通滤波器限制输入带宽，降低噪声的影响。