tag 标签: 运放

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  • 热度 8
    2020-6-20 18:53
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    非同类可代替器件5—放大电感
    疫情过后,为了生存,大家都卯足了劲。所以没时间写些东西,罪过罪过。上次写了放大电容,这次同理,电感也可以用同样的电路代替。 都是电容的精度低,电感的精度那就是更低,而且有些绕线电感的精度也很难控制。功率电感对精度要求不高还好说,对于一些模拟滤波器来说,电感的精度就很要命了。这里给大家提供个方法,用电容和运放代替电感。当然有人说了,模拟滤波器已经被淘汰了,完全可以用数字滤波器代替。这我不否认数字滤波器灵活,我也做过用Matlab仿真,在DSP实现数字滤波器,但是对于硬件工程师来说,模拟滤波器也是必修课之一,掌握还是必须的。当然也可以用开关电容来实现模拟滤波器,这以后再讨论。 还是采用跟上次一样的电路,电感L1和内阻R5由右面的电路代替,L1=R2*R3*C2,内阻为R2,注意下,该等效的电感是必须接地的,应用的环境是收限制的,所以在一些滤波器中是可以应用的。 图中,是等效电路的仿真图。在平稳的地方,都是-66DB,在大概100KHz的地方有转折。 图中是用运放和电容代替的RL电路,图中平稳地方也是-66dB,在100KHz部分有转折。但是很快就会下落,这是因为运放的带宽毕竟是有限的,不可能像理想的电感那样。 从两个图对比就发现L5=R2*R3*C2=10K*100*100p=100u,跟理论值差不多。内阻也是R5=R2=100R。 所以特殊情况下,电感可以用电容和运放来实现等效替换,下回举一个复杂的例子。该电路模型是从《OP放电电路设计》中摘录的,具体数值是自己仿真的。所以多看看外国的书还是能学到一些奇思妙想的电路,很有意思。
  • 热度 13
    2020-4-11 13:14
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    非同类可代替器件2
    上回书说道,用JFET代替电阻配合稳压管来工作。这次说一说在什么场合下,用什么器件来代替电容。一说电容,应该是最常见的器件,同时也是损坏率最高的器件,没有之一。 大家都经历过电容突然炸裂带来的刺激,我也是一样,每次上电做实验都反复检查就怕过压引起电容一阵青烟。以前做实验雷击浪涌发生器的专用电容发生爆炸,吓得我现在心里都有阴影。特别是像本安电路那种,可以说对电容是恨之入骨,能小则小。那有没有能代替电容的东西呢,别说还真有,当然是在一些特别的电路里。 直流偏置在放大电路里是不受欢迎的,很讨厌但还一直存在。在交流信号里,自然可以通过前端增加电容来滤除直流分量。下面电路里就是一个简单同相放大器,输入阻抗100K,放大倍数20dB,带宽0.001Hz到100KHz。输入信号为20mV直流偏置的方波信号,1Hz,50%占空比,Vpp=20mV。为什么这么设计,就是为了方便观察。 从示波器的图中可以看到,输入1Hz的时候,蓝色的输出波形没有失真。但是输入的C1为1000uF,这有点太可怕了,先不说这1000uF的体积多大,光是电容额偏差也有个20%以上。而且铝电容对温度敏感,ESR就够喝一壶的。如果做为防爆环境的本安电路,检验部门直接就不让过,想都不要想。那谁能代替C1呢? 运放超级伺服电路(有兴趣的同仁可以参考《测量电子电路设计——模拟篇》——大师之作),大伙会说你这不就是照搬后仿真一下吗?此言差矣,我只是电路的搬运工,再说我也改了,也做对比,有点无耻了。不管怎么样,请看下图 图中把C1的1000uF电容去掉了,换成了U1B和其他电阻电容组成的积分电路,该电路的作用就是去电直流分量。从图中可以看到,波形依然没有变化,带宽也是一直,只是稍微宽一些。电容的总量也有1000uF变为2个100uF,少了800uF,而且体积变小了不少,可也以换成性能特好的钽电容,也不怕不怕热了。检测部门的大老爷们看了电路也微微点头,没有大电容的烦恼。 原理书里都说差不多了,电容隔直很简单,也很好理解。积分器可以简单说一下,交流信号经过积分后就为0了,所以输入信号经过积分电路及保留输入信号里的直流分量,再反馈到原运放的负端,形成负反馈,自然可以去掉直流分量,输出交流信号了。 虽然用积分电路代替电容,看似很麻烦,但是好处是实实在在的。毕竟仿真看来差距不大,但是要做实际电路,1000uF的电容和普通运放比起来,麻烦那可是大大的。特别是防爆环境的本安电路,不信你去问检测主检,不踢死你别来找我。 多说一句,美国人写的电子电路的书,都是一堆数学公式,神乎其神的感觉,抓不到摸不到。日本人写的电子电路的书,都是各种实际电路的图,有图有真相。完全是两种极端,但有相互补充。工程实践和理论学习同样重要,就像内功和招式缺一不可。以后会多些写理论和数学方面的文章,毕竟是本专业也不能忘了本啊。
  • 热度 6
    2020-3-14 21:45
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    源地址:https://www.cnblogs.com/huanzxj/p/5667633.html 与分立器件相比,现代集成运算 放大器 (op amp)和仪表 放大器 (in-amp)为设计工程师带来了许多好处。虽然提供了许多巧妙、有用并且吸引人的电路。往往都是这样,由于仓促地组装电路而会忽视了一些非常基本的问题,从而导致电路不能实现预期功能 - 或者可能根本不工作。本文将讨论一些最常见的应用问题,并给出实用的解决方案。   AC耦合时缺少DC偏置电流回路   最常遇到的一个应用问题是在交流(AC)耦合运算 放大器 或仪表 放大器 电路中没有提供偏置电流的直流(DC)回路。在图1中,一只电容器与运算 放大器 的同相输入端串联以实现AC耦合,这是一种隔离输入电压(VIN)的DC分量的简单方法。这在高增益应用中尤其有用,在那些应用中哪怕运算 放大器 输入端很小的直流电压都会限制动态范围,甚至导致输出饱和。然而,在高阻抗输入端加电容耦合,而不为同相输入端的电流提供DC通路,会出现问题。      图1.错误的运算 放大器 AC耦合输入   实际上,输入偏置电流会流入耦合的电容器,并为它充电,直到超过 放大器 输入电路的共模电压的额定值或使输出达到极限。根据输入偏置电流的极性,电容器会充电到电源的正电压或负电压。 放大器 的闭环DC增益放大偏置电压。   这个过程可能会需要很长时间。例如,一只场效应管(FET)输入 放大器 ,当1 pA的偏置电流与一个0.1μF电容器耦合时,其充电速率I/C为10–12/10–7=10 μV/s,或每分钟600μV。如果增益为100,那么输出漂移为每分钟0.06 V。因此,一般实验室测试(使用AC耦合示波器)无法检测到这个问题,而电路在数小时之后才会出现问题。显然,完全避免这个问题非常重要。      图2.正确的双电源供电运算 放大器 AC耦合输入方法   图2示出了对这常见问题的一种简单的解决方案。这里,在运算 放大器 输入端和地之间接一只电阻器,为输入偏置电流提供一个对地回路。为了使输入偏置电流造成的失调电压最小,当使用双极性运算 放大器 时,应该使其两个输入端的偏置电流相等,所以通常应将R1的电阻值设置成等于R2和R3的并联阻值。   然而,应该注意的是,该电阻器R1总会在电路中引入一些噪声,因此要在电路输入阻抗、输入耦合电容器的尺寸和电阻器引起的Johnson噪声之间进行折衷。典型的电阻器阻值一般在100,000Ω ~1 MΩ之间。   类似的问题也会出现在仪表 放大器 电路中。图3示出了使用两只电容器进行AC耦合的仪表 放大器 电路,没有提供输入偏置电流的返回路径。这个问题在使用双电源(图3a)和单电源(图3b)供电的仪表 放大器 电路中很常见。      图3.不工作的AC耦合仪表 放大器 实例   这类问题也会出现在变压器耦合 放大器 电路中,如图4所示,如果变压器次级电路中没有提供DC对地回路,该问题就会出现。      图4.不工作的变压器耦合仪表 放大器 电路   图5和图6示出了这些电路的简单解决方案。这里,在每一个输入端和地之间都接一个高阻值的电阻器(RA,BR)。这是一种适合双电源仪表 放大器 电路的简单而实用的解决方案。      图5.每个输入端与地之间都接一个高阻值的电阻器以提供必需的偏置电流回路。   a.双电源. b.单电源.   这两只电阻器为输入偏置电流提供了一个放电回路。在图5所示的双电源例子中,两个输入端的参考端都接地。在图5b所示的单电源例子中,两个输入端的参考端或者接地(VCM接地)或者接一个偏置电压,通常为最大输入电压的一半。   同样的原则也可以应用到变压器耦合输入电路(见图6),除非变压器的次级有中间抽头,它可以接地或接VCM。   在该电路中,由于两只输入电阻器之间的失配和(或)两端输入偏置电流的失配会产生一个小的失调电压误差。为了使失调误差最小,在仪表 放大器 的两个输入端之间可以再接一只电阻器(即桥接在两只电阻器之间),其阻值大约为前两只电阻器的1/10(但与差分源阻抗相比仍然很大)。      图6.正确的仪表 放大器 变压器输入耦合方法   为仪表 放大器 、运算 放大器 和ADC提供参考电压   图7示出一个仪表 放大器 驱动一个单端输入的模数转换器(ADC)的单电源电路。该 放大器 的参考电压提供一个对应零差分输入时的偏置电压,而ADC的参考电压则提供比例因子。在仪表 放大器 的输出端和ADC的输入端之间通常接一个简单的RC低通抗混叠滤波器以减少带外噪声。设计工程师通常总想采用简单的方法,例如电阻分压器,为仪表 放大器 和ADC提供参考电压。因此在使用某些仪表 放大器 时,会产生误差。      图7.仪表 放大器 驱动ADC的典型单电源电路   正确地提供仪表 放大器 的参考电压   一般假设仪表 放大器 的参考输入端为高阻抗,因为它是一个输入端。所以使设计工程师一般总想在仪表 放大器 的参考端引脚接入一个高阻抗源,例如一只电阻分压器。这在某些类型仪表 放大器 的使用中会产生严重误差(见图8)。      图8.错误地使用一个简单的电阻分压器直接驱动3运放仪表 放大器 的参考电压引脚   例如,流行的仪表 放大器 设计配置使用上图所示的三运放结构。其信号总增益为      参考电压输入端的增益为1(如果从低阻抗电压源输入)。但是,在上图所示的电路中,仪表 放大器 的参考输入端引脚直接与一个简单的分压器相连。这会改变减法器电路的对称性和分压器的分压比。这还会降低仪表 放大器 的共模抑制比及其增益精度。然而,如果接入R4,那么该电阻的等效电阻会变小,减小的电阻值等于从分压器的两个并联支路看过去的阻值(50 kΩ),该电路表现为一个大小为电源电压一半的低阻抗电压源被加在原值R4上,减法器电路的精度保持不变。   如果仪表 放大器 采用封闭的单封装形式(一个IC),则不能使用这种方法。此外,还要考虑分压电阻器的温度系数应该与R4和减法器中的电阻器保持一致。最终,参考电压将不可调。另一方面,如果尝试减小分压电阻器的阻值使增加的电阻大小可忽略,这样会增大电源电流的消耗和电路的功耗。在任何情况下,这种笨拙的方法都不是好的设计方案。   图9示出了一个更好的解决方案,在分压器和仪表 放大器 参考电压输入端之间加一个低功耗运算 放大器 缓冲器。这会消除阻抗匹配和温度系数匹配的问题,而且很容易对参考电压进行调节。      图9.利用低输出阻抗运算 放大器 驱动仪表 放大器 的参考电压输入端   当从电源电压利用分压器为 放大器 提供参考电压时应保证PSR性能   一个经常忽视的问题是电源电压VS的任何噪声、瞬变或漂移都会通过参考输入按照分压比经过衰减后直接加在输出端。实际的解决方案包括旁路滤波以及甚至使用精密参考电压IC产生的参考电压,例如ADR121,代替VS分压。   当设计带有仪表 放大器 和运算 放大器 的电路时,这方面的考虑很重要。电源电压抑制技术用来隔离 放大器 免受其电源电压中的交流声、噪声和任何瞬态电压变化的影响。这是非常重要的,因为许多实际电路都包含、连接着或存在于只能提供非理想的电源电压的环境之中。另外电力线中的交流信号会反馈到电路中被放大,而且在适当的条件下会引起寄生振荡。   现代的运算 放大器 和仪表 放大器 都提供频率相当低的电源电压抑制(PSR)能力作为其设计的一部分。这在大多数工程师看来是理所当然的。许多现代的运算 放大器 和仪表 放大器 的PSR指标在80~100dB以上,可以将电源电压的变化影响衰减到1/10,000~1/100,000。甚至最适度的40 dB PSR的 放大器 隔离对电源也可以起到1/100的抑制作用。不过,总是需要高频旁路电容(正如图1~7所示)并且经常起到重要作用。   此外,当设计工程师采用简单的电源电压电阻分压器并且用一只运算 放大器 缓冲器为仪表 放大器 提供参考电压时,电源电压中的任何变化都会通过该电路不经衰减直接进入仪表 放大器 的输出级。因此,除非提供低通滤波器,否则IC通常优良的PSR性能会丢失。   在图10中,在分压器的输出端增加一个大电容器以滤除电源电压的变化并且保证PSR性能。滤波器的-3 dB极点由电阻器R1/R2并联和电容器C1决定。-3 dB极点应当设置在最低有用频率的1/10处。      图10.保证PSR性能的参考端退耦电路   上面示出的CF试用值能够提供大约0.03 Hz的–3 dB极点频率。接在R3两端的小电容器(0.01 μF)可使电阻器噪声最小。   该滤波器充电需要时间。按照试用值,参考输入的上升时间应是时间常数的几倍(这里T=R3Cf= 5 s),或10~15s。   图11中的电路做了进一步改进。这里,运算 放大器 缓冲器起到一个有源滤波器的作用,它允许使用电容值小很多的电容器对同样大的电源退耦。此外,有源滤波器可以用来提高Q值从而加快导通时间。      图11.将运算 放大器 缓冲器接成有源滤波器驱动仪表 放大器 的参考输入引脚   测试结果:利用上图所示的元件值,施加12 V电源电压,对仪表 放大器 的6 V参考电压提供滤波。将仪表 放大器 的增益设置为1,采用频率变化的1 VP-P正弦信号调制12 V电源。在这样的条件下,随着频率的减小,一直减到大约8 Hz时,我们在示波器上看不到AC信号。当对仪表 放大器 施加低幅度输入信号时,该电路的测试电源电压范围是4 V到25 V以上。电路的导通时间大约为2 s。   单电源运算 放大器 电路的退耦   最后,单电源运算 放大器 电路需要偏置共模输入电压幅度以控制AC信号的正向摆幅和负向摆幅。当从电源电压利用分压器提供偏置电压时,为了保证PSR的性能就需要合适的退耦。   一种常用但不正确的方法是利用100 kΩ/100 kΩ电阻分压器(加0.1μF旁路电容)提供VS/2给运算 放大器 的同相输入端。使用这样小的电容值对电源退耦通常是不够的,因为极点仅为32 Hz。电路出现不稳定(“低频振荡”),特别是在驱动感性负载时。   图12(反相输入)和图13(同相输入)示出了达到最佳退耦结果的VS/2偏置电路。在两种情况中,偏置电压加在同相输入端,反馈到反向输入端以保证相同的偏置电压,并且单位DC增益也要偏置相同的输出电压。耦合电容器C1使低频增益从BW3降到单位增益。      图12.单电源同相输入放大器电路正确的电源退耦方案。中频增益=1+R2/R1   如上图所示,当采用100 kΩ/100 kΩ电阻分压器时一个好的经验是,为获得0.3 Hz的–3 dB截止频率,应当选用的C2最小为10 ΩF,。而100 μF(0.03 Hz)实际上对所有电路都足够了。      图13.单电源反相输入 放大器 正确的退耦电路,中频增益= – R2/R1
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    Errorbandisusuallydefinedtobeapercentageofthestep0.1%,0.05%,0.01%,etc.Settlingtimeisnon-linear;itmaytake30timesaslongtosettleto0.01%asto0.1%.OUTPUTERRORBANDFINALSETTLINGRECOVERYTIMESLEWTIMEDEADTIMESETTLINGTIME建立时间放大器的建立时间是指输出响应输入的阶跃变化,然后进入并保持在规定误差带所需的时间,参照输入脉冲50%点测得,如下图1所示。MT-046指南运算放大器建立时间建立时间放大器的建立时间是指输出响应输入的阶跃变化,然后进入并保持在规定误差带所需的时间,参照输入脉冲50%点测得,如下图1所示。OUTPUTERRORBANDDEADSLEWRECOVERYFINALTIMETIMETIMESETTLINGSETTLINGTIMEErrorbandisusuallydefinedtobeapercentageofthestep0.1%,0.05%,0.01%,etc.……
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    单电源运算放大器问题由于市场需求,单电源供电已成为一项日益重要的要求。汽车、机顶盒、照相机/摄像机、PC和笔记本电脑应用要求IC供应商提供各种采用单电源轨供电,而性能则与双电源器件相同的线性器件。功耗现已成为线路或电池供电系统的关键参数,某些情况下甚至比成本还重要。因此,器件以低电压/低电源电流工作至关重要。与此同时,精度和精密性要求则迫使IC制造商要在放大器设计中做到“事半功倍”。在单电源应用中,对放大器性能的最直接影响是输入和输出信号范围缩小。由于输入和输出信号的偏移度更小,放大器电路对内部和外部误差源变得更敏感。在12位、10V满量程系统中,精密放大器的0.1mV失调电压引起的误差小于0.04LSB。但在单电源系统中,“轨到轨”精密放大器的1mV失调电压则代表5V满量程系统中的0.8LSB误差(或2.5V满量程系统中的1.6LSB误差)。在某些低压单电源器件中,增益精度也会降低,因此需要仔细考虑器件选型。许多具有120dB左右开环增益的放大器通常都采用双电源供电,如OP07型等。然而,许多用于精密应用的单电源/轨到轨放大器在轻负载(>10kΩ)下通常具有25,000至30,000的开环增益。某些器MT-035指南运算放大器输入、输出、单电源和轨到轨问题单电源运算放大器问题由于市场需求,单电源供电已成为一项日益重要的要求。汽车、机顶盒、照相机/摄像机、PC和笔记本电脑应用要求IC供应商提供各种采用单电源轨供电,而性能则与双电源器件相同的线性器件。功耗现已成为线路或电池供电系统的关键参数,某些情况下甚至比成本还重要。因此,器件以低电压/低电源电流工作至关重要。与此同时,精度和精密性要求则迫使IC制造商要在放大器设计中做到“事半功倍”。在单电源应用中,对放大器性能的最直接影响是输入和输出信号范围缩小。由于输入和输出信号的偏移度更小,放大器电路对内部和外部误差源变得更敏感。在12位、10V满量程系统中,精密放大器的0.1mV失调电压引起的误差小于0.04LSB。但在单电源系统中,“轨到轨”精密放大器的1mV失调电压则代表5V满量程系统中的0.8LSB误差(或2.5V满量程系统中的1.6LSB误差)。在某些低压单电源器件中,增益精度也会降低,因此需要仔细考虑器件选型。许多具有120dB左右开环增益的放大器通常都采用双电源供电,如OP07型等。然而,许多用于精密应用的单电源/轨到轨放大器在轻负载(>10kΩ)下通常具有25,000至30,000的开环增益。某些器件,比如OP113/OP213/OP413系列,确实具有高开环增益(>120dB),适用于要求苛刻的应用。另一个例子是AD8……
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    时间: 2019-12-27 20:27
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    电压反馈型运算放大器的带宽下图1显示电压反馈型运算放大器的开环频率响应。有两种可能:图1A是最常见的情况,高直流增益以6dB/倍频程从极低频率下降至单位增益,也就是典型的单极点响应。相比之下,图1B的放大器响应中具有两个极点,增益先以6dB/倍频程下降,然后以12dB/倍频程下降。图1A中的放大器称为无条件稳定或完全补偿型放大器,可配合单位噪声增益使用。该类型的放大器可在输出至反相输入的100%反馈(包括电容)下保持稳定。MT-045指南运算放大器带宽和带宽平坦度电压反馈型运算放大器的带宽下图1显示电压反馈型运算放大器的开环频率响应。有两种可能:图1A是最常见的情况,高直流增益以6dB/倍频程从极低频率下降至单位增益,也就是典型的单极点响应。相比之下,图1B的放大器响应中具有两个极点,增益先以6dB/倍频程下降,然后以12dB/倍频程下降。图1A中的放大器称为无条件稳定或完全补偿型放大器,可配合单位噪声增益使用。该类型的放大器可在输出至反相输入的100%反馈(包括电容)下保持稳定。OPENOPENLOOPLOOP6dB/OCTAVE6dB/OCTAVEGAINGAINdBdB12dB/……
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