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模拟中基础之一：运放电路和选型
基础 在学习运放选型前，我们需要先来透测的学习运放电路的内部结构和原理，对于我们来说是模拟电路中十分重要的元件，它能组成放大、加法、减法、转换等各种电路，我们可以运用运放的"虚短"和"虚断"来分析电路，然后应用欧姆定律等电流电压关系，即可得输入输出的放大关系等。 由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V～14 V 因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于"短路"。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。 虚短 是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。 由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。 虚断 是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。 下面本文用虚断和虚断方法来对实际的电路进行分析，如图1-1所示，是常见的反相比例运算放大电路： 在反相放大电路中，信号电压通过电阻R1加至运放的反相输入端，输出电压Vo通过反馈电阻Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压并联负反馈放大电路。 运放的同相端接地=0V，反相端和同相端虚短，所以也是0V，反相输入端输入电阻很高，虚断，几乎没有电流注入和流出，那么R1和Rf相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的，即流过R1的电流和流过Rf的电流是相同的。 根据欧姆定律： Is= (Vs- V-)/R1……......…(1) If= (V- - Vo)/Rf……...........(2) V- = V+ = 0 ……......………(3) Is= If ……………......………(4) 求解后可能Vo== (-Rf/R1)*Vi 在分析电路的过程中，暂时不用管运放的其他特性，就根据虚短和虚断的特性来分析。当然，若运放不工作在放大区时，不满足虚短和虚断发条件，不能使用此种方法来分析，如比较器。 如下图1-2，是运放实现的加法器，用虚短和虚断的方法来分析此电路。 由于电路存在虚短，运放的净输入电压vI=0，反相端为虚地。 vI=0，vN=0…………………............................(5) 反相端输入电流iI=0的概念，通过R2与R1的电流之和等于通过Rf的电流故： (Vs1 – V-)/R1 + (Vs2 – V-)/R2 = (V- –Vo)/Rf....(6) 如果取R1=R2=R3，由a，b两式解得 -Vout=Vs1+Vs………..................................……(7) 式(7)中负号为反相输入所致，若再接一级反相电路，可消去负号。 简言之，虚短是运放正输入端和负输入端的电压相等，近似短路;虚断是流入正负输入端的电流为0。只要掌握了这一点，再运用欧姆定律，即可很容易的分析同相比例放大电路，反向比例放大电路等常用的运放放大电路。 运放具体该怎么选择呢? 重点牢记 1、通用型运算放大器 通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。mA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放)，它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。 2、精密运算放大器 精密运算放大器一般指失调电压低于1mV的运放，对于直流输入信号，输入失调电压(VOS)和它的温漂小就行，但对于交流输入信号，我们还必须考虑运放的输入电压噪声和输入电流噪声，在很多应用情况下输入电压噪声和输入电流噪声显得更为重要一些。在传感器类型和(或)其使用环境带来许多特别要求时，例如超低功耗、低噪声、零漂移、轨到轨输入及输出、可靠的热稳定性和对数以千计读数和(或)在恶劣工作条件下提供一致性能的可再现性，运算放大器的选择就会变得特别困难。精密放大电路会多一些电源去耦，滤波等特殊设计的电路。主要区别在于运算放大器上，精密运算放大器的性能比一般运放好很多，比如开环放大倍数更大，CMRR更大，速度比较慢，GBW，SR一般比较小。失调电压或失调电流比较小，温度漂移小，噪声低等等。好的精密运放的性能远不是一般运算放大器可以比得，一般运放的失调往往是几个mV，而精密运放可以小到1uV的水平。要放大微小的信号，必须用精密运放，用了一般的运放，它自身都会带入很大的干扰。要通过外围电路改善，小幅或者微调可以，但无法大幅度或者彻底改变。最常用的精密运放为OP07，以及它的家族，OP27，OP37，OP177，OPA2333。其他的还有很多，比如美国AD公司的产品，很多都是OPA带头的。 3、高阻型集成运算放大器 高阻型集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>(109~1012)W,IIB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。 4、低温漂型运算放大器 在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。 5、高速型运放 高速型运放在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、mA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。 6、低功耗型运放 低功耗型运放由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携运算放大器式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为±2V~±18V,消耗电流为50~250mA。目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。 7、高压大功率型运算放大器 高压大功率型运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V,mA791集成运放的输出电流可达1A。 总结 相信通过上面的介绍，对不同使用条件下是否能使用同一种运放，显然是比较清楚的，实际选择集成运放时,还应考虑其他因素。 例如信号源的性质,是电压源还是电流源?负载的性质?集成运放输出电压和电流的是否满足要求?环境条件,集成运放允许工作范围、工作电压范围、功耗与体积等因素是否满足要求? 最后再赠送大家一些评价运放的小经验，评价集成运放性能的优劣,应看其综合性能： SR为转换率,单位为V/ms,其值越大,表明运放的交流特性越好; Iib为运放的输入偏置电流,单位是nA; VOS为输入失调 电压,单位是mV。 Iib和VOS值越小,表明运放的直流特性越好。
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电化学传感器基本知识
由骏龙科技公司最新推出的《多功能电化学模块》系列专辑由两篇文章构成，主要介绍了电化学模块的功能与原理，以及模块应用开发案例。本文《多功能电化学模块(上) — 模块功能与原理》为大家...
2024-12-31 111浏览 -
常见的光电信号链及选型参考
Photo-Diode 光电二极管，内部结构是由一个PN结组成的半导体器件。它和常用二极管一样，有单向导通的特性。 色彩测量、发射光谱仪、气体探测器、浑浊度计等应用通常都是采用光电二极管来实...
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电流源的器件选型和误差来源
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2024-12-31 59浏览 -
如何解决运放电路产生自激振荡的问题？
相信每个硬件工程师经常会遇到这样的问题：运算放大器（之后简称运放）在实际使用当中出现了自激振荡。即使是最简单的运放测试电路，由于电路设计的不合理或者是外围器件选择的不恰当也会...
2024-12-31 36浏览 -
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 -
设计一个恒流调亮度电路
常规使用的pwm调亮度不仅会导致频闪，而且在长时间使用的时候，有损坏led的风险，所以这次设计了一个恒流调亮度电路，其电路图如下所示 电路原理的解读：左侧的电位计起着调节亮度的作用，将电位计置于最上方，当系统上电的时候，上方的比较器同向输入端得到了来自电位计的5*10/12=4.17的分压，由于此时mos管为截止状态，1欧姆电阻上没有电流通过，不会产生压降，故经过下面一个电压放大器的输出也为0，则运放输出为低电平，上方运放的同向端输入为4.17v，反向端输入为0v，则运放开启mos管。mos管开启后，电流流过led灯，直到通过1欧姆电阻的电流达到最大值380ma的时候，此时电阻分压得到0.38V，通过电压放大器得4.18V的分压，此时上方的比较器同向输入端为4.17V，反向输入端为4.18V，此时比较器的输出为低电平，关闭mos管。关闭mos之后电流会持续下降，电阻上的分压也会下降，此时下面电压放大器的输出会再次低于4.17V，这时比较器则再次开启mos管，一直不断循环下去。此电路即可将通过led的电流稳定在一个值附件，通过调节电位计改变比较器同向端的电压，即可改变亮度。 一、led？ 在生活中，我们会经常接触到LED这个词，LED到底是什么呢？ LED全称是Light Emitting Diode，中文翻译为”发光二极管”，是一种将电能转换为光能的固体电致发光（简称EL）半导体器件，它利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。 LED实质性核心结构是由元素谱中的Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族化合物材料构成的P-N结，由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成，基本结构为一块电致发光的半导体模块，封装在环氧树脂中，通过引脚作为正负电极并起到支撑作用，可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。 LED的特征是发光亮度与通过的电流量几乎呈线性正比关系。因此要使LED发出的相同亮度时，必须保证被连接一起LED的电流量一致。 LED能工作必须有LED驱动器，驱动器给LED提供正常的工作条件，包括电压，电流等，好的驱动电路能随时保护LED。 二、LED为什么要用恒流驱动？ 第一，恒流驱动器输出的电流是恒定的，而输出电压会跟随LED的VF值去变化。这样很符合LED的特性，使发出的亮度保持一致。LED受电流变化影响比较大，采用恒流驱动能延长LED的使用寿命；还可以提高LED的发光的效率和稳定性，减少LED的光衰度。 第二，采用恒流源驱动，不用在输出电路串联限流电阻，LED上流过的电流也不受外界电源电压变化、环境温度变化，以及LED参数离散性的影响，可以充沛发挥LED的各种优秀特性，并且当增加或减少LED模组时，恒流源在自身设计的电压范围内自动调整电压，不需人手调节。 第三，采用LED恒流电源来给LED灯具供电，由于在电源工作期间都会自动检测和控制流过LED的电流，因而，不用担忧在通电的瞬间有过高的电流流过LED，也不用担忧负载短路烧坏电源。 第四，恒流驱动电源的电流稳定，适合LED灯长时间工作，不会因为元件在工作中发热电阻降低导致LED灯被烧坏。恒流驱动电源IC保障着电流的通过率不会忽高忽低，可以获得预期的亮度要求，保证各个LED亮度，色度的一致性。 三、MOS管的特性？ irf5305场效应管参数 增强型MOS管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压VGS=0时，即使加上漏-源电压VDS，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道(没有电流流过)，所以这时漏极电流ID=0。 此时若在栅-源极间加上正向电压，即VGS>0，则栅极和硅衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个栅极指向P型硅衬底的电场，由于氧化物层是绝缘的，栅极所加电压VGS无法形成电流，氧化物层的两边就形成了一个电容，VGS等效是对这个电容充电，并形成一个电场，随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在这个电容的另一边就聚集大量的电子并形成了一个从漏极到源极的N型导电沟道，当VGS大于管子的开启电压VT(一般约为 2V)时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID，我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，一般用VT表示。 总结：控制栅极电压VGS的大小改变了电场的强弱，就可以达到控制漏极电流ID大小的目的，这也是MOS管用电场来控制电流的一个重要特点，所以也称之为场效应管。 1、输入、输出特性 对于共源极接法的电路，源极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔离，所以栅极电流为0，其输出特性和转移特性曲线如下。 2.导通特性 MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压VGS决定其工作状态。下面以NMOS管为例介绍其特性。 NMOS的特性，VGS大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性，VGS小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。 四、放大器？ 这是一个同相放大器 这个链接写得很详细了 运算放大器公式推导_zhuzhiyaoyao的博客-CSDN博客_运算放大器基本公式 ∵反相端和同相端虚短 , 且同相端接地 ∴ …(a) ∵反相输入端虚断 ∴R1和R2相当于串联 ∴ …(b) 由于欧姆定律 ,得: …( c) …(d) 依次消元 , 得 对应到这个电路里，应该是这么理解的： vg是放大倍数，对照图示可知，r2是10k的电阻，r1是1k的电阻，计算可得vg=11 那么输出的电压应为输入电压的11倍，把ui=0.38v带入 可以得到对应的输出电压。 运放的基本原理 五、比较器？ 电压比较器的工作原理 它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。接到正，就是电压比较器。接到负，就成放大器了。 电压比较器它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。 电压比较器简单理解为：运放工作于非线性工作状态，假如基准电压在负端输入，输入的电压在正端输入的话，比较电压高于基准电压，运放就输出高电平（接近于运放的工作电源电压），输入的电压在正端输入的话，比较电压低于基准电压，运放就输出低电平。（接近于地），基准电压加在正端，比较电压加在负端也可以的，输出刚好相反。总之，就是正端电压高，就输出高电平，负端电压高，就输出低电平。有的还加正反馈电阻，接成具有迟滞功能的比较器。 本案例中，这里的比较器不是上面哪种只能输入特定的高、低电平的比较器。这里的比较器实际上更接近于一个运放，这个运放构成的电路结构和比较器很接近，但是它的输出不是两个值（比如高电平5v，低电平1v），它的输出是一个浮动的电压范围（1-5v）。 运算放大器的原理： 它的内部原理大概就是这样子的——它有5个引脚，分为正电源跟负电源，两个输入和一个输出。 它的工作原理大概是这样的——输入会有两个电压，输入之后就会产生一个电压差，电压差加在输入电阻上面；这里面还有一个压控电压源，它会把收到的一个小电压放大G倍，这个增益是非常非常大的；然后再通过一个内部的输出电阻输出出去，那么就可以得到一个被放大的电压。 如果输入的两个电压差异比较大，又没有一个反馈的话，那么就会形成一个电压比较。如果上面输入的电压比较大的话，那就会导致增益的结果电压特别大，则会达到一个电压的上限。 如果上面的电压比下面的要小一点的话，那么这里就会出现一个下限的电压值接近于负电压的值。因此，反馈在这个电路中是非常重要的，加上反馈后，输入的电压就会构成一个比较正常的数学关系，这也是运放最常见的使用方法。
2024-12-19 75浏览 -
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