運放的應(yīng)用實例和設(shè)計指南

1、1.1 運放的典型設(shè)計和應(yīng)用1.1.1 運放的典型應(yīng)用運放的基本分析方法：虛斷，虛短。對于不熟悉的運放應(yīng)用電路，就使用該基本分析方法。運放是用途廣泛的器件，接入適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器、振蕩器及電壓比較器。1) 運放在有源濾波中的應(yīng)用 圖5.2 有源濾波上圖是典型的有源濾波電路（賽倫-凱 電路，是巴特沃茲電路的一種）。有源濾波的好處是可以讓大于截止頻率的信號更快速的衰減，而且濾波特性對電容、電阻的要求不高。該電路的設(shè)計要點是：在滿足合適的截止頻率的條件下，盡可能將R233和R230的阻值選一致，C50和C201的容量大小選取一致（兩級RC電路的電阻、電容值相等時

2、，叫賽倫凱電路），這樣就可以在滿足濾波性能的情況下，將器件的種類歸一化。其中電阻R280是防止輸入懸空，會導(dǎo)致運放輸出異常。濾波最常用的3種二階有源低通濾波電路為 巴特沃茲，單調(diào)下降，曲線平坦最平滑；切比雪夫 ，迅速衰減，但通帶中有紋波；貝塞爾（橢圓），相移與頻率成正比，群延時基本是恒定。2) 運放在電壓比較器中的應(yīng)用 圖5.3 電壓比較上圖是典型信號轉(zhuǎn)換電路，將輸入的交流信號，通過比較器LM393，將其轉(zhuǎn)化為同頻率的方波信號（存在反相，讓軟件處理一下就可以），該電路在交流信號測頻中廣泛使用。該電路實際上是過零比較器和深度放大電路的結(jié)合。將輸出進行（1+R292/R273）倍的放大，放大倍數(shù)越

3、高，方波的上升邊緣越陡峭。該電路中還有一個關(guān)鍵器件的阻值要注意，那就是R275，R275決定了方波的上升速度。3) 恒流源電路的設(shè)計如圖所示，恒流原理分析過程如下：U5B（上圖中下邊的運放）為電壓跟隨器，故;由運算放大器的虛短原理，對于運放U4A（上圖中上邊的運放）有： ；而；;有以上等式組合運算得：當(dāng)參考電壓Vref固定為1.8V時，電阻R30為3.6,電流恒定輸出0.5mA。該恒流源電路可以設(shè)計出其他電流的恒流源，其基本思路就是：所有的電阻都需要采用高精度電阻，且阻值一致，用輸入的參考電壓（用專門的參考電壓芯片）比上阻值，就是獲得的輸出電流。但在實際使用中，為了保護恒流源電路，一般會在輸出

4、端串一只二極管和一只電阻，這樣做的好處第一是防止外界的干擾會進入恒流源電路，導(dǎo)致恒流源電路的損壞，二是可以防止外界負載短路時，不至于對恒流源電路造成損壞。4) 整流電路中的應(yīng)用 圖5.5 整流電路上述電路是一個整流電路，將輸入的一定頻率的脈沖整流成固定的電平電壓，再用此電壓控制4-20mA電流的輸出電流。該電路功能類似一些DAC功能的接口。5）熱電阻測量電路 圖5.6 熱電阻測量電路上圖的電路是典型的熱電阻/電偶的測量電路，其測量思路為：將1-10mA的恒流源加于負載，將會在負載上產(chǎn)生一定的電壓，將該電壓進行有源濾波處理，處理后在進行信號的調(diào)整（信號放大或衰減），最后將信號送入ADC接口。該電

5、路應(yīng)用時，要注意在輸入端施加保護，可以并TVS，但要注意節(jié)電容對測量精度的影響，當(dāng)然，如果在一些低成本場合，上述電路圖可簡化為下電路 圖5.7 熱電阻測量簡化電路6）電壓跟隨器在運放的使用中，電壓跟隨器是一種常見的應(yīng)用，該電路的好處是：一是減小負載對信號源的影響；二是提高信號帶負載的能力。 圖5.8 電壓跟隨器上圖是運用運放實現(xiàn)了電阻分壓的功能，首先用電阻獲得需要輸出的電壓，然后用運放對該電壓進行跟隨，提高其輸出能力。7）單電源的應(yīng)用在運放的實際使用，我們一般為了保持運放的頻率特性，一般都采用雙電源供電，但有的時候在實際使用，我們只有單電源的情況，也能實現(xiàn)運放的正常工作。首先我們運用運放跟隨電

6、路，實現(xiàn)一個VCC/2的分壓: 圖5.9 分壓電路當(dāng)然，如果在要求不是很高的場合，我們可以直接電阻分壓，獲得+VCC/2，但由于電阻分壓的特性所在，其動態(tài)的響應(yīng)速度會非常慢，請謹慎使用。獲得+VCC/2后，我們可以用單電源實現(xiàn)信號放大功能，如下圖：圖5.10 單電源的應(yīng)用該電路中 R66=R67/R68， 信號的輸出增益G=-R67/R68 。具體應(yīng)用如下圖運放為單+5V_AD供電，AD芯片的電壓是3.3V（基準電壓芯片REF3033得到），該3.3V再電阻分壓和經(jīng)過運放跟隨后得到1.65V，給到運放的同相輸入端圖5.11 單電源差分輸入并放大的應(yīng)用 1.1.2 運放的應(yīng)用要點 運放單電源供電

7、工作的運放一定要加直流偏置（如圖5.11中的REF1.65V_AD），否則運放無法工作運放普通運放不能直接驅(qū)動容性負載，若驅(qū)動容性負載，必須用電容進行相位補償或輸出串電阻再接負載運放同向放大器的輸入端一定要對地加偏置電阻作為直流通路 上圖為典型的同相放大器。其中，同相輸入端的對地電阻R2有兩個作用。第一個作用是通過電阻R2給運放的同相輸入端提供一個對地的直流通路，使得運放內(nèi)部與同相輸入端相連的基極通過電阻R2與負電源構(gòu)成回路以形成基極電流（參見下圖）；。R2的第二個作用是要保證運放的同相輸入端和反相輸入端的外電路的對稱性，或者靜態(tài)參數(shù)的對稱性，以充分保證運放差分放大器形式的輸入級的共模抑制能力

8、，故應(yīng)滿足R2=R1Rf。運放對外接口的運放輸入端，要在正負輸入管腳并聯(lián)一個TVS管，防止運放因為輸入信號電壓過大產(chǎn)生極性反轉(zhuǎn)，形成寄生假信號輸出。運放增益10倍以上的放大器電路,要注意控制運放的GWB帶寬增益積，防止器件自激。運放單電源運放使用中，+Vcc/2虛地點設(shè)計除了直流電位要注意穩(wěn)壓(最好選用基準電壓芯片輸出該值)外，還要確保低阻抗的交流退耦，即對地并聯(lián)至少10uF以上的低頻退耦和0.1uF以下的高頻退耦。運放帶功率的運放的輸出端要對電源和地線使用開關(guān)二極管進行鉗位保護，尤其是掛接感性負載時。運放在使用多路運放處理多路信號時需要注意，防止其中某一路信號的瞬時變化對另一路信號產(chǎn)生串?dāng)_，所以，設(shè)計時建議不要用一個運放處理多路信號，盡可能一路信號一個運放處理。運放運放芯片基本上都是ESD敏感器件，運用時注意。運放未使用的運放（多路運放中多余的通道）的引腳不應(yīng)該懸空，也不應(yīng)該將輸入接地或接正負電源。建議將