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差分运放电里设计
引言 图1：待分析电路图 图1中的电路哪里是负反馈？放大倍数怎么计算？一起来看本文吧。 运放分析的要义 虚短与虚断 图2：运算放大器示意图 （1）虚短 如图1所示，虚短是指运放的输入端V+和V-可视为电压差很小，即近似相等：V-=V+，由于并没有实际的物理连接，故我们称其为虚短（以区别物理连接的短路），若其中一端接地，则另一端在必要时，可认为虚地。 （2）虚断 由于运放是高阻抗器件，可以认为两个输入端向运放内部流动的电流数值为0，即I+=0,I_=0，直观感觉是两个端口之间像断开的，故称为虚断。 在电路分析中，根据情形使用这两个概念可以很方便的分析出电路的增益，输入输出阻抗等信息。 线性电路的可叠加性 在电路基础的课程中，我们学过线性电路的可叠加性，线性电路中，任一支路电压或电流都是电路中各个独立电源单独作用时，在该支路分别产生的电压或电流的叠加。 实际应用中，若有把AB两个电压源，可以把A接地，单独分析电路，再把B接地，分析电路，然后把两个结果相加即可。 实战分析 图1是一个比较复杂的运放电路，我们对其做分析，由于电路中只有运放和电阻，故为线性电路，满足线性叠加原理，故令V2= 0： 图3 对比模电课本可知这是个正向放大器： Vo1 = V+∗ (1+R6 / ( R2//R4)) V+=V1*(R3//R5)/(R1+R3+R5) 故： Vo1 = V1∗( R3//R5)/(R1+R3//R5)∗(1+R6/(R2//R4)) 图4 令V1=0，对照模电课本可知该电路为反向放大器： Vo2=−V2∗R6/R2 综上输出电压V0： V0 = V01+V02 V0= V1∗( R3//R5)/(R1+R3//R5)∗(1+R6/(R2//R4))-V2∗R6/R2 若R1, R2= 50，R3, R4，R5, R6=200，且如输入端为差分电压（V1 =-V2 ）则有放大倍数A： A=V0/(V1−V2)=V0/2V1=4 反向放大器中为什么没有R4？ 图5 如图5所示，由于虚断的原因，在运放的负输入端相当于接地，这样一来，R4相当于被短路了，故没有R4参与运算，这个是个标准的反相放大器。 仿真验证 为了验证分析是否正确，我们使用TI 公司的SPICE仿真软件TINA [1]验证一下，该软件可以免费申请，其使用方式见我的博文：《TI运放仿真软件TINA》。 图6：TINA仿真结果 从图6中可以看出，测试点3和点4的电压分别为100mV/-90度和100mV/+90度（相位相差180度），故差分信号V4-V3（从运放正输入端到负输入端）为200mV/90度，测试点5为输出电压，数值为800mV/90度，故放大倍数为：800mV/200mV=4，和分析得到的数值相同，验证完毕。 差分输出运放分析 图7：差分输入的情况 [2] 图8：单端输入的情况 [2]
2024-12-19 67浏览 -
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仪表放大器AD8237的特点
在仪表放大器的设计中，有时会注意设计相对于输入同相电压(VCM)可实现的输出电压(VOUT)范围的特性及REF基准的处理方法，但有时也会忽略规则而难以特性化。 美国模拟器件公司的AD8237是为了...
2024-12-09 121浏览 -
运放交越失真是怎么产生的？怎么解决交越失真问题？
有工程师表示遇到过，用示波器采集运放的输出波形时，在某一输入电压处，原本很完美的正弦波出现了一点失真的情况，但不知是运放的原因还是其他外在原因。在了解工程师使用的运放类型之后，...
2024-12-05 107浏览 -
详解峰值检测电路几电路原理
一、峰值检测电路定义 峰值检测电路（PKD，Peak Detector）的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Vo = Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。 峰值检测电路在AGC（自动增益控制）电路和传感器最值求取电路中广泛应用，自己平时一般作为程控增益放大器倍数选择的判断依据。有的同学喜欢用AD637等有效值芯片作为程控增益放大器的判据，主要是因为集成的方便，但个人认为是不合理的，因为有效值和信号的正负峰值并没有必然联系；其次，实际应用中这类芯片太贵了。当然，像电子设计竞赛是可以的，因为测试信号总是正弦波，方波等。 二、峰值检测电路原理 顾名思义，峰值检测器（PKD，Peak Detector）（本文默认以正峰值检测为例）就是要对信号的峰值进行采集并保持。其效果如下如（MS画图工具绘制）： 根据这样的要求，我们可以用一个二极管和电容器组成最简单的峰值检测器。如下图（TINA TI 7.0绘制）： 这时候我们可以选择用面包板搭一个电路，接上信号源示波器观察结果，但在这之前利用仿真软件TINA TI进行简单验证会节省很多时间。通过简单仿真（输入正弦信号5kHz,2Vpp），我们发现仅仅一个二极管和电容器组成的峰值检测器可以工作，但性能并不是很理想，对1nF的电容器，100ms后达到稳定的峰值，误差达10%。而且，由于没有输入输出的缓冲，在实际应用中，电容器中的电荷会被其他部分电路负载消耗，造成峰值检测器无法保持信号峰值电压。 既然要改进，首先要分析不足。上图检测的误差主要来自与二极管的正向导通电压降，因此我们可以用模电书上说的“超级二极管”代替简单二极管（TINA TI 7.0绘制）： 从仿真结果来看，同等测试条件下，检测误差大大减小。但我们知道，超级二极管有一个缺点，就是Vi从负电压变成正电压的过程中，为了闭合有二极管的负反馈回路，运放要结束负饱和状态，输出电压要从负饱和电压值一直到（Vi+V二极管）。这个过程需要花费时间，如果在这个过程，输入发生变化，输出就会出现失真。 因此，我们需要在电路中加入防止负饱和的措施，也就是说，我们输入部分的处理环节要能够尽量跟随输入信号的电压，并提供一个尽可能理想的二极管，同时能够提供有效的输入缓冲。一个经典的电路是通过在输入和输出间增加一个二极管，这有点类似于电压钳位（TINA TI 7.0绘制）： 经过以上的简单描述，其实我们已经可以将峰值检测器分成几个模块： （1）模拟峰值存储器，即电容器。 （2）单向电流开关，即二极管。 （3）输入输出缓冲隔离，即运算放大器。 （4）电容放电复位开关（这部分非必须，如：如果电容值选取合适，两次采样时间间隔较大）。 3、几种峰值检测电路 采用二极管和电容器组成的峰值检测电路有多种实现方式和电路形式，在TI等公司的一下文献中，我们可以查到不少。就自己个人实验的结果而言，二极管、电容、放大器组成的峰值检测器有效工作频率范围在500kHz一下，对100mVpp以上的输入信号检测误差可达到3%以内，后文中3.2的曲线图能较有代表性地反映这类峰值检测器的性能。 3.1分立二极管电容型 TI公司的Difet 静电计级运算放大器OPA128的DATASHEET里提供了一个很好用的峰值检测器： TINA TI的仿真结果如下： 值得一提的是，该图有几个用心之处： （1）采用FET运放提高直流特性，减小偏置电流OPA128的偏置电流低至75fA。 （2）将场效应管当二极管用，可以有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力。 （3）小电容应该是防止自激的。实际应用中可以用TL082双运放和1N4148来代替场效应管，性能价格比较高。 3.2无二极管型 该图使用TINA TI 7.0和Multisim10.1均未仿真成功，但电路应该是没有问题的，只是性能得看实验。重点一提的是EDN英文版上有篇文章（见参考文献）提供了一种非常棒的PKD： 性能如下： 该图用TINA未能仿真成功，Mutisim 12仿真成功： 性能如下： 3.3集成峰值检测电路 ADI公司有一款集成的PKD——PKD01，本质也是二极管加电容的结构，性能不详。 3.4其他结构峰值检测电路 在高速的环境下，二极管和电容结构的电路就无法适应了，作者见过FPGA+DAC+高速比较器组成的峰值检测器，原理很简单，就是将DAC输出和输入信号作比较，FPGA负责DAC电压输出控制和比较器输出检测。 四、检查电路实例 4.1基本的峰值检测电路 本实验以峰值检测器为例, 说明可利用反馈环改进非线性的方法。峰值检测器是用来检测交流电压峰值的电路, 最简单的峰值检测器依据半波整流原理构成电路。如图下所示, 交流电源在正半周的一段时间内, 通过二极管对电容充电, 使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。只要 RC 足够大，可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值。 这种简单电路的工作过程是， 在交流电压的每一周期中, 可分为电容充电和放电两个过程。在交流电压的作用下， 在正半周的峰值附近一段时间内, 通过二极管对电容 C 充电，而在其它时段电容 C 上的电压将对电阻 R 放电。当然，当外界交流电压刚接上时，需要经历多个周期, 多次充电, 才能使输出电压接近峰值。但是， 困难在于二极管是非线性元(器)件, 它的特性曲线如实图下所示。当交流电压较小时，检测得的直流电压往往偏离其峰值较多。 这里的泄放电阻R，是指与 C 并联的电阻、下一级的输入电阻、二极管的反向漏电阻、以及电容及电路板的漏电等效电阻。不难想到, 放电是不能完全避免的。同时, 适当的放电也是必要的。特别是当输入电压变小时, 通过放电才能使输出电压再次对应于输入电压的峰值。实际上, 检测器的输出电压大小与峰值电压的差别与泄放电流有关。仅当泄放电流可不计时, 输出电压才可认为是输入电压的峰值。用于检测仪器中的峰值检测器要求有较高的精度。检测仪器通常 R 值很大，且允许当输入交流电压取去后可有较长的时间检波输出才恢复到零。可以用较小的电容，从而使峰值电压建立的时间较短。 本实验的目的, 在于研究如何用运算放大器改进峰值检测器, 进一步了解运算放大器之应用。 4.2峰值检测电路的改进 为了避免次级输入电阻的影响, 可在检测器的输出端加一级跟随器(高输入阻抗)作为隔离级。 也可以按需要加一可调的泄放电阻。如果允许电路有很长的放电时间, 也可以不用外加泄放电阻。这种电路可以有效地隔离次级的影响, 且跟随器的输出电压(Vo)可视为与电容上的电压相等。 电路中的二极管, 仅在 Vi-Vo > 0 时才导通, 使电容C充电。这时, 二极管上的电压为(Vi-Vo)。为使在(Vi-Vo)很小时也能有足够的充电速度, 可将(Vi-Vo)经过放大, 再作用于二极管。按照这一设想, 可在检测器前加一级比较放大器。 在分析时常认为运算放大器失偏电压为理想值 0V。比较放大器是开环的差动放大器,它可以有很高的增益, 只要 Vi 略大于 Vo, 就可以输出很大的电压驱动 D1 对电容充电。例如运算放大器的增益为 100dB量级, 只需 Vi 比 Vo 大 0.02mV, 就可以输出 2V 的正向电压，显然, 加速了电容的充电过程，直至使 Vo 等于 Vi 的峰值为止。实际工作中, 决定 Vo 与 Vi 有差别的一个重要因素, 将是放大器输入端的失调电压。当然, 放大器也应有足够的带宽，以适应要求检测的交流电压的频率范围。 在 Vi-Vo < 0 时, 比较放大器的输出电压接近于负电源电压, 使 D1 上有较大的反向电压, D1 就会有一定的反向泄漏电流。为抑制 D1 的反向电流, 应使 D1 的正极在反向时的电压, 只略低于 Vo。为此, 在比较放大器(A2)与 D1 之间增设二极管 D2 和电阻 R2。 在 Vi > Vo 时, A2 输出较大的正向电压, 使 D2 与 D1 导通对电容充电。 在 Vi < Vo 时, A2 输出的反向电压使 D2 关断。这时, D2 的负极(D1 的正极)通过 R2 联于 A1 的输出端, 使 R2 一端的电压(对地)为 Vo。如图所示, 流过 D2 的反向电流通过 R2, 因而使 D2 的负极(D1 的正极)上和电容上的电压得以保持。 通常 R2 为数百kW的电阻, 例如在实图下中 R2 为 560kW。若 D2 的反向电流为 0.2mA, 则 R2 上的电压为 0.11V, 即 D1 上的反向电压为 0.11V。由此可见, D2 和 R2 有效的抑制了D1的反向电流, 其作用相当于增大了检测电路的泄放电阻。 还需注意, D2 还有极间电容 C2, 它与 R2 组成阻容耦合电路。以上的分析略去了 C2 的作用,实际上是假定输入信号的频率满足：W << 1/(R2C2)。 因此, 除了选用级间电容较小的二极管之外, 还应参照上式选择 R2。 上图是改进的峰值检测器的原理图。该电路还有一个实际问题。在输入信号的每周期的大部分时间中处于 Vi < Vo 的状态, 因而 A2 输出端的电压几乎等于负电源电压, A2 的中间级和输出级的某些管子, 必处于深饱和和深截止状态。仅当 Vi 在峰值附近的一小段时间中, A2 才可能在线性区中, A2 的某些管子应从深饱和状态(或深截止状态)转向线性区(放大区)中的状态。管子的这种状态的转换需要经历一段时间才能完成。这种效应限制了输入信号频率, 亦即限制了检测速度。 为了改善电路的速度, 用非线性元(器)件 D3, 将比较放大器组成非线性反馈的放大器。在 Vi > Vo 时，Vo2 高于 Vo, D3 处于反偏置状态(不导通)，A2 仍可视为无反馈的高增益电路; 在 Vi < Vo 时，Vo2 低于 Vo, D3 处于正偏置状态(导通)呈现为低阻抗, A2 可视为有强反馈的低增益放大器。若 D3 的正向等效电阻为 RD3, 在 rD3 << R3 时, 只要 R3 充分大，保持 Vo 值变化较小，对于输入信号来说, 该电路相当于有偏置的跟随器。 若 rD3 可不计则输出电压为：Vo2 ≌ Vi -Vo – VD3。 Vo2 的最低值为 Vo2min ≌ -2VP – VD3。 式中 Vp 是输入电压 Vi 的峰值。在设计电路时, 若使 Vi 的最大峰值小于 A2 的负向摆幅之半，则 A2 就可以保持在线性区工作。当然，D3的 反向电阻应尽可能大，以保证 Vo2 为正值时不致通过 D3 泄漏至 Vo。 综上所述, 较完善的峰值检测器电路如实图下所示。 参数选择： 按照上面的分析, R3 应满足：RD3 >> R3 >> rD3 ，RD3 是 D3 的反向等效电阻。因 rD3 常在 100W 量级, RD3 常在 1000kW 量级或更大, 故 R3 可选为 10kW 量级。 整个电路，A2是输入缓冲，其输入端包含A1的输出反馈，用于实现比较功能“Vi高于Vo就打开下级电路”。A1是输出缓冲。 注意： 1、只要 R3 充分大，就能保持 Vo 值变化较小。 2、R2用于减少D2的反相泄露电阻。
2024-11-19 295浏览 -
电力系统的技术进步对社会的影响是什么？
电力系统的重要性不言而喻，在电力系统的保障下，居民每天的生活用电才能得到保障。上篇文章中，小编对电力系统的运行、电力系统的电源规划有所阐述。为增进大家对电力系统的认识，本文将对电力系统的研究开发予以...
2024-09-04 171浏览 -
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一个高端电流检测电路设计
这个电路是ADI的AD629的原理（，这种电路设计的很巧妙，只是不清楚是否有专利问题。 图中的参数是按照AD629的内部参数标注的，按照图中的参数，这个放大器的增益为1，共模范围为运放本身共模范围的20倍。 图中R3、R5在原电路中是一个20k的电阻，21.1k电阻的精确值应当是21.11……k。把这个电阻分成两个，一方面为了方便大家理解，另一方面在实际使用的时候可以避免了非标准电阻值的问题。在这个电路中，为了保证电路平衡，要求R1=R1、R3=R4、R5=R6。这三对电阻的平衡决定了放大器的共模抑制比。 这个放大器的参数选择如下： 增益： G=R4/R2 共模电压范围倍数： N=(R1+R3//R5)/(R3//R5) N其实非常简单： 同相端就是一个分压器，把R3和R5看做一个电阻，比如叫R3'，R1和R3'分压之后不超出运放的共模范围运放就能正常工作，所以： N=R3'/(R1+R3') 同理，假设输出电压为零（输入端只有共模信号没有差模信号的时候），反相输入端同样是一个分压器，计算方法和结果都和同相端相同。 共模电压范围是运放的一个参数，只要运放的两个输入端电压均不超过这个范围，生产运放的厂家保证运放能按照预期的方式正常工作；反之，当共模电压范围被超出了，厂家不保证运放的性能。 实际使用中，保证运放不超出规定的共模电压范围是设计工程师的职责。 事实上，运放往往能稍稍超出规定的共模电压范围而能正常工作，但如果你这样设计，如果电路工作不正常，你只能找自己的麻烦。 差模输入电压范围对运放本身来说实际上没有太大的意义，因为运放具有很大的开环增益，所以运放闭环的时候两个输入端之间的差模电压是极小的一个电压差值。这个差值等于输出电压除以开环电压增益。如果运放输入端的电压差值稍大，运放的输出端就饱和了，这时候运放实际上成了电压比较器。 要讨论差模输入电压范围，必须考虑包括外接元件在内的整个电路，比如一个差分放大器。对于差分放大器，差模电压范围主要限制是：最大差模输入电压不能使运放输出电压出现限幅饱和状态。 免责声明：本文转自网络，版权归原作者所有，如涉及作品版权问题，请及时与我们联系，谢谢！
2024-08-08 148浏览
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精密半导体参数测试解决方案 直播时间：01月08日 10:00
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