运放电路的参考设计及应用
我将在实际工作中参考运用到的运放放大器电路推荐给大家;其应用领域已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个领域,并将在未来技术方面扮演重要角色。
首先运算放大器其按参数可分为如下几:
通用型运算放大器:
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。
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。
高阻型运算放大器:
特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>1GΩ~1TΩ,IB为几皮安到几十皮安。
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。
低功耗型运算放大器:
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。
高压大功率型运算放大器:运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。
可编程控制运算放大器:
在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出,就必须改变运算放大器得放大倍数。
我们关键的几个关键参数问题!
1.低功耗的需求?
2.低噪声的需求?
3.高精度的需求?(较低的失调电压)
4.高速的需求?(运放的带宽高,跟运放的带宽要求相关)
5.压摆率的需求?(1V/uS以上)跟运放的带宽相关,速率高—压摆率高!
6.几个通道的需求?(单通道或双通道)
7.是否需要轨对轨?(信号的失真性小,信号可满摆幅输出!)
8.失调电压的需求?(是否5mV以内)
9.通用运放主要指标
GBW在1MHz左右
失调电压 > 5mV
压摆率为1V/S以上
Railto Rail概念
A.输入失调电压VOS(input offsetvoltage)输入电压为零时,将输出电压除以电压增益,即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。
说明:失调电压越低,运放性能指标就越高,其内部的对称性指标就越好。
B.压摆率SR(Slew rate)其特征参数数据越高运放的性能也越优越。表征其工作时的响应速度,输出电压的响应速度能快速跟踪输入电压的性能指标。
说明:压摆率越高越好,其输出电压的响应速度会越快。
C.电压/电流噪声eN(@1KHz)(Voltage Noise)其特征参数越大越好。进行运算放大时其背景噪声的干扰会越小。
说明:电压/电流的噪声电压越小越好。其输出放大的背景噪声就越小。有用信号更容易取得。
D.谐波失真THD(total harmonic distortion)其百分数越低越好。表征其输出信号对比输入信号的失真度情况。
说明:THD值越低越好,表明其输出波形的相似度等级。
1、运放在有源滤波中的应用
上图是典型的有源滤波电路(赛伦-凯电路,是巴特沃兹电路的一种)。有源滤波的好处是可以让大于截止频率的信号更快速的衰减,而且滤波特性对电容、电阻的要求不高。
该电路的设计要点是:在满足合适的截止频率的条件下,尽可能将R233和R230的阻值选一致,C50和C201的容量大小选取一致(两级RC电路的电阻、电容值相等时,叫赛伦凯电路),这样就可以在满足滤波性能的情况下,将器件的种类归一化。其中电阻R280是防止输入悬空,会导致运放输出异常。
滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为
●巴特沃兹,单调下降,曲线平坦最平滑;
巴特沃兹低通滤波中 用的最多的是赛伦凯乐电路,即仿真的该电路。
一个滤波器,要知道其截至频率是多少,或者能写出传递函数和频率响应也可以。
如果该滤波器还有放大功能,要知道该滤波器的增益是多少。
当两级RC电路的电阻、电容值相等时,叫赛伦凯电路,在二阶有源电路中引入一个负反馈,目的是使输出电压在高频率段迅速下降。
二阶有源低通滤波电路的通带放大倍数为 1+Rf/R1 ,与一阶低通滤波电路相同;
二阶Sallen-Key低通滤波器
振幅应用图如下:
截止频率为:
注明,m的单位为 欧姆, N 的单位为 u
所以计算得出 截止频率为
●切比雪夫 ,迅速衰减,但通带中有纹波;
●贝塞尔(椭圆),相移与频率成正比,群延时基本是恒定。
2、运放在电压比较器中的应用
电压比较
上图是典型信号转换电路,将输入的交流信号,通过比较器LM393,将其转化为同频率的方波信号(存在反相,让软件处理一下就可以),该电路在交流信号测频中广泛使用。
该电路实际上是过零比较器和深度放大电路的结合。
将输出进行(1+R292/R273)倍的放大,放大倍数越高,方波的上升边缘越陡峭。
该电路中还有一个关键器件的阻值要注意,那就是R275,R275决定了方波的上升速度。
3、恒流源电路的设计
如图所示,恒流原理分析过程如下:
U5B(上图中下边的运放)为电压跟随器,故V1=V4;
由运算放大器的虚短原理,对于运放U4A(上图中上边的运放)有: V3=V5;
以上等式组合运算得:
当参考电压Vref固定为1.8V时,电阻R30为3.6,电流恒定输出0.5mA。
该恒流源电路可以设计出其他电流的恒流源,其基本思路就是:所有的电阻都需要采用高精度电阻,且阻值一致,用输入的参考电压(用专门的参考电压芯片)比上阻值,就是获得的输出电流。
但在实际使用中,为了保护恒流源电路,一般会在输出端串一只二极管和一只电阻,这样做的好处第一是防止外界的干扰会进入恒流源电路,导致恒流源电路的损坏,二是可以防止外界负载短路时,不至于对恒流源电路造成损坏。
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