-
-
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。
01-02 76浏览 -
ANC耳机的主动降噪技术
目前在全球范围内，ANC耳机行业总体上处于比较先进的水平。全球最大的耳机设计商苹果公司，凭借 Airpods 系列包揽了ANC 27%以上的市场份额。2019年的全球ANC耳机的市场总值大概在109亿，在2...
2024-12-31 102浏览 -
模数转换器AD7124的应用指南
模数转换器（之后简称ADC）广泛应用于数据采集系统中，如我们常见的温度测量、压力测量、仪器仪表，以及工业过程控制系统等都会用到ADC。选择合适的ADC对搭建良好测试系统至关重要。目前多...
2024-12-31 61浏览 -
锁相放大器电路的理论知识
信噪比这个名词相信大家都不陌生，它是指一个电子信号系统中信号和噪声之间的比例。信噪比 = 10lg (Ps/Pn)Ps: 信号的有效功率Pn: 噪声的有效功率也可以换算成电压幅值的比率关系：20Lg (Vs/...
2024-12-31 56浏览 -
电流源的器件选型和误差来源
电压控制电流源广泛应用于医疗器械、工业自动化、仪器仪表等众多领域。电流源的精度、交流性能、驱动能力受到很多因素的影响，设计出高精密、高速的电流源，难度远高于设计电压源。本文以产...
2024-12-31 59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 -
LM358的几种外围电路设计
文章目录 前言 一、电压跟随器 二、电压比较器 三、滞回比较器(施密特触发器) 四、差分放大电路 前言 本文主要学习LM358的几种外围电路设计，希望能帮助大家更进一步的了解和使用LM358 一、电压跟随器 1、笔者这里用LM358的A通道简易搭建了一个电压跟随器电路 LM358的输出端电压范围为：0 – (VCC-1.5)V，这里VCC为芯片供电电压，图中为VDC3 根据虚断：V+ = VDC4 = 3.3V 根据虚短：V- = V+ = 3.3V 所以Vout = (V-) – I*R5，因为电压跟随器具有高输入阻抗的特性，所以电流I特别小可忽略不计， Vout = (V-) = 3.3V 图中R5作为阻抗匹配的作用，一般和电压源内阻阻值一样，用于提高精度；R4为限流电阻 当芯片供电电压为12V时 根据上图仿真可知，Vout满足 0 – (VCC-1.5)V这个范围 二、电压比较器 当V+大于V-时，Vout输出高电平，约为(VCC-1.5)V 当V+小于V-时，Vout输出低电平 三、滞回比较器(施密特触发器) 为系统增加滞回控制，可以让系统对于微小变化不那么敏感，增强系统的抗干扰能力。 通过以上分析，我们可以发现，加入正反馈回路的比较器具有施密特特性，因此滞回比较器也叫施密特触发器，其具有很强的抗干扰性，能过滤掉一些微小波动造成的影响。 四、差分放大电路差分放大一般用于电流检测，通过采集采样电阻两端的微弱电压值，再进差分放放大后得到可观的电压值，如果对电流采集精度要求不高的话可以采样此方法。下图为电流采集电路的一种实现方法，这里差分放大倍数为100倍我们根据此电路图来进行分析 最终计算结果和仿真相似 版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议， 原文链接：https://blog.csdn.net/m0_62672176/article/details/125371073
2024-12-19 62浏览 -
-
-
精密半导体参数测试解决方案 直播时间：01月08日 10:00
- 苹果A系列芯片十年进化：晶体管数量激增19倍，晶圆成本跃升300%
- 豪掷800亿美元！微软宣布加码AI数据中心
- 11家中国实体被纳入实体清单，美资禁止投资中国三个行业
- 华勤技术收购豪成智能科技，强化机器人业务领域布局
- “超越EUV”时代：美国研发拍瓦级铥激光器有望大幅提升芯片制造效率
- 三星电子完成HBM4逻辑芯片设计，采用4nm工艺进行试产
- 加拿大扩大稀土开采，杀入全球原材料竞赛
- 拆解长鑫存储DDR5颗粒：面积68.06平方毫米，比三星大40%
- 关注我们
-
扫码关注面包板社区
