1. 运放电路设计步骤
偏置电流如何补偿
对于我们常用的反相运算放大器,其典型电路如下:
在这种情况下,R3为平衡电阻,这样,在可以很好的保证运放的电流补偿,使正负端偏置电流相等。若这些运算放大器知识你注意到了时,甚至取值更大时,会产生更大的噪声和飘溢。但是,应大于输入信号源的内阻。
善于思考的工程师都会想到,当为同相放大器的时候,其原理又是什么呢?现在我们先回顾下同相运放的设计电路:
当计算出的Rp为负值时,需要将该电阻移动到正相端,与R1串联在输入端。
这里额外多插入一句,同相比例运放具有高输入阻抗,低输出阻抗的特性,广泛应用在前置运放电路中。
调零电路的问题
今天运放已经发展的很迅速,附注功能各式各样,例如有些运放已经具有了调零的外接端口,此时依据数据手册进合适的电阻选择就可以完成运放调零。例如LF356运放,其典型电路如下:
另外一些低成本的运放或许不带这些自动调节功能,那么作为设计师的我们也不为难,通过简单的加法电路、减法电路等可以完成固定的调零(虽然有时这种做法有隔靴挠痒的作用)。
当要进行通常在补偿电路中增加一个三极管电路,利用PN结的温度特性,完成运放的温度补偿。例如在LF355典型电路中将三极管电路嵌入在V+和25K反馈电阻之间
2. 运放电路分析
我将会用大约十篇文章把运放的最基本的知识介绍清楚,这是第一篇。
运放这个词既熟悉又陌生,既简单有不简单,说它熟悉,是因为它的应用非常广泛,经常听说它,说它陌生,是因为运放内部的电路结构非常复杂,很难搞清楚。说它简单,因为在设计运放电路时,可以避免晶体管电路的复杂参数计算,说它不简单,因为很多时候运放并不理想,若按理想运放来设计电路,会导致结果错误。
1、什么是运放
运放是运算放大器的简称。可以实现各种模拟电量的数学运算。但它不是用来做计算器上的加减乘除运算,而是在模拟信号处理过程中,可能需要将信号进行放大、加减乘除、积分、微分等操作。
①、运放的电路符号是:
pin 2、3为信号输入、pin 4、7为电源输入、pin 6为信号输出。
②、输入输出关系:Uo = A * (Up-Un)
A为运放的放大倍数,这个数值非常非常大,近似为无穷大,Up与Un几乎相等。Uo,Up,Un为正常的数值。这个表达式初看太奇怪了,但是它确实那么的有用,大大简化了电路的设计,后面会慢慢解释。
③、最重要的性质:“虚短”和“虚断”
虚短:因为上面表达式中Up与Un几乎相等,所以pin 2、3近似短路,但不是真的短路,所以叫虚短。
虚断:pin 2、3的输入阻抗非常大,至少在1Mohm。所以可以认为Pin2、3上的输入电流为零,所以叫虚断。
2、反相比例运放电路
只要记住Uo = A * (Up-Un)和“虚短”、“虚断”,理想运放的电路都能看懂。这里先不要纠结为什么会是这样,有机会后面会介绍。这里先介绍一个最简单的运放电路:反相比例放大电路。
①、根据虚断原理,运放输入端的两个管脚输入电流为零,所以不管R4阻值是多少,都有Up=0;
②、根据虚短原理,Un=Up,所以Un也等于零。
③、根据基尔霍夫定理就可以求出:Uo=-Rf/R1 * Ui
④、理论上,R2和RL的阻值不会影响放大倍数,但是实际的运放需要设计R2=R1 || Rf,因为这样一来,运放的同相端和反相端往外看的阻抗才一样大。
⑤、从仿真结果可以看出反向比例放大器的输出与输入波形ui是精确的5倍的关系。
3、总结
理想运放如此简单,我们根本不需要了解运放里面的东西,不需要像三极管那样考虑它到底工作在哪个区,不需要考虑密勒效应,输入输出阻抗等等,只需要用电阻分压的方法就能得到想要的精确的放大倍数。用起来简单,性能又好,这是运放广泛应用的重要原因。
反相比例运放是我们认识运放的第一个例子。也是最简单,最基础的应用,后面会慢慢介绍其他的电路,以及实际运放的应用。
3. 集成运算放大器由哪些基本电路构成
集成运算放大器的电路构成:
集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路,它的方框图如图1所示。
图1 运算放大器方框图
(1)输入级 使用高性能的差分放大电路,必须对共模信号有很强的抑制力,采用双端输入、双端输出的形式。
(2)中间放大级 提供高开环放大倍数,以保证运放的运算精度。一般由共发射极组成多级耦合放大电路。
(3)输出级 由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成,提供大的输出电压或电流。
(4)偏置电流源 提供稳定的偏置电流,以稳定工作点。一般由各种恒流源电路组成。
4. 运放的相关知识
15V的话,输出电流在带载能力上相对稳定些。前提是输入电流和电压都在芯片要求的范围内。
5. 运放电路分析
工作原理:D1、D2为限幅管先不作考虑,假如电路有噪声“+”信号时经R1、R2分压后给运放3+端,而2“-”端由于电容C的存在,电压不能马上上升,所以3、2输入差模放大,6端输出不断增大,当到达限定幅度时(没有限幅就达电源电压),电容电压上升到2、3相等,输出为0,输出6的电压被R1、R2拉低,而电容放电不会马上降低电压,所以,2、3端出现反向压差,输出6向"-"方向变化,过程与上面相似,只是方向相反。如此循环,振荡就产生了。
6. 运放电路的工作原理
运放电路的工作原理是把被控制的非电量(如温度、转速、压力、流量、照度等)用传感器转换为电信号,再与给定量比较,得到一个微弱的偏差信号。因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构,所以需要把这个偏差信号放大到需要的程度,再去推动执行机构或送到仪表中去显示。
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。
在基于传感器的复杂应用中,设计者需要进行多方面考虑,以便获得规格与性能最佳组合的精密运算放大器,同时还需要考虑成本。具体而言,斩波稳定型运算放大器(零漂移放大器)非常适用于要求超低失调电压以及零漂移的应用。斩波运算放大器通过持续运行在芯片上实现的校准机制来达到高DC精度。
(6)运放电路入门知识大全扩展阅读
在没有特殊要求的场合,尽量选用通用型集成运放,这样既可降低成本,又容易保证货源。当一个系统中使用多个运放时,尽可能选用多运放集成电路,例如LM324、LF347等都是将四个运放封装在一起的集成电路。
评价集成运放性能的优劣,应看其综合性能。一般用优值系数K来衡量集成运放的优良程度,其定义为:式中,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。
所以,对于放大音频、视频等交流信号的电路,选SR(转换速率)大的运放比较合适;对于处理微弱的直流信号的电路,选用精度比较的高的运放比较合适(既失调电流、失调电压及温飘均比较小)。
实际选择集成运放时,除优值系数要考虑之外,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。