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文檔簡介

1、我們經(jīng)??吹胶芏喾浅=?jīng)典的運算放大器應(yīng)用圖集,但是他們都建立在雙電源的基礎(chǔ)上,很 多時候,電路的設(shè)計者必須用單電源供電,但是他們不知道該如何將雙電源的電路轉(zhuǎn)換成單 電源電路。在設(shè)計單電源電路時需要比雙電源電路更加小心,設(shè)計者必須要完全理解這篇文 章中所述的內(nèi)容。 1. 1電源供電和單電源供電 所有的運算放大器都有兩個電源引腳,一般在資料中,它們的標識是 VCC +和VCC , 但是有些時候它們的標識是 VCC +和GND。這是因為有些數(shù)據(jù)手冊的作者企圖將這種標識 的差異作為單電源運放和雙電源運放的區(qū)別。但是,這并不是說他們就一定要那樣使用一一 他們可能可以工作在其他的電壓下。在運放不是按默認電

2、壓供電的時候,需要參考運放的數(shù) 據(jù)手冊,特別是絕對最大供電電壓和電壓擺動說明。 絕大多數(shù)的模擬電路設(shè)計者都知道怎么在雙電源電壓的條件下使用運算放大器,比如圖 一左邊的那個電路, 一個雙電源是由一個正電源和一個相等電壓的負電源組成。一般是正負 15V,正負12V和正負5V也是經(jīng)常使用的。輸入電壓和輸出電壓都是參考地給出的,還 包括正負電壓的擺動幅度極限Vom以及最大輸出擺幅。 單電源供電的電路(圖一中右)運放的電源腳連接到正電源和地。正電源引腳接到 VCC + ,地或者VCC 引腳連接到 GND。將正電壓分成一半后的電壓作為虛地接到運放的輸入 引腳上,這時運放的輸出電壓也是該虛地電壓,運放的輸出

3、電壓以虛地為中心,擺幅在Vom 之內(nèi)。有一些新的運放有兩個不同的最高輸出電壓和最低輸出電壓。這種運放的數(shù)據(jù)手冊中 會特別分別指明 Voh和Vol。需要特別注意的是有不少的設(shè)計者會很隨意的用虛地來參考輸 入電壓和輸出電壓, 但在大部分應(yīng)用中, 輸入和輸出是參考電源地的,所以設(shè)計者必須在輸 入和輸出的地方加入隔直電容,用來隔離虛地和地之間的直流電壓。(參見1.3節(jié)) SUPPLYc + SUPPLYg -I HALF SUPPLY -SUPPLY - 圖一 通常單電源供電的電壓一般是5V,這時運放的輸出電壓擺幅會更低。另外現(xiàn)在運放的 供電電壓也可以是 3V也或者會更低。出于這個原因在單電源供電的電

4、路中使用的運放基本 上都是Rail To Rail的運放,這樣就消除了丟失的動態(tài)范圍。需要特別指出的是輸入和 輸出不一定都能夠承受Rail To Rail的電壓。雖然器件被指明是Rail To Rail的,如 果運放的輸出或者輸入不支持Rail To Rail,接近輸入或者接近輸出電壓極限的電壓可能 會使運放的功能退化,所以需要仔細的參考數(shù)據(jù)手冊是否輸入和輸出是否都是Rail To Rail。這樣才能保證系統(tǒng)的功能不會退化,這是設(shè)計者的義務(wù)。 1. 2虛地 單電源工作的運放需要外部提供一個虛地,通常情況下,這個電壓是VCC/2,圖二 的電路可以用來產(chǎn)生VCC/2的電壓,但是他會降低系統(tǒng)的低頻特

5、性。 圖二 R1和R2是等值的,通過電源允許的消耗和允許的噪聲來選擇,電容C1是一個低通濾波 器,用來減少從電源上傳來的噪聲。 在有些應(yīng)用中可以忽略緩沖運放。 在下文中,有一些電 路的虛地必須要由兩個電阻產(chǎn)生, 但是其實這并不是完美的方法。 在這些例子中,電阻值都 大于100K,當這種情況發(fā)生時,電路圖中均有注明。 1. 3交流耦合 虛地是大于電源地的直流電平,這是一個小的、局部的地電平,這樣就產(chǎn)生了一個電勢 問題:輸入和輸出電壓一般都是參考電源地的,如果直接將信號源的輸出接到運放的輸入端, 這將會產(chǎn)生不可接受的直流偏移。如果發(fā)生這樣的事情,運放將不能正確的響應(yīng)輸入電壓, 因為這將使信號超出運

6、放允許的輸入或者輸出范圍。 解決這個問題的方法將信號源和運放之間用交流耦合。使用這種方法,輸入和輸出器件 就都可以參考系統(tǒng)地,并且運放電路可以參考虛地。 當不止一個運放被使用時,如果碰到以下條件級間的耦合電容就不是一定要使用: 第一級運放的參考地是虛地 第二級運放的參考第也是虛地 這兩級運放的每一級都沒有增益。任何直流偏置在任何一級中都將被乘以增益,并且可 能使得電路超出它的正常工作電壓范圍。 如果有任何疑問,裝配一臺有耦合電容的原型,然后每次取走其中的一個,觀察電工作 是否正常。除非輸入和輸出都是參考虛地的,否則這里就必須要有耦合電容來隔離信號源和 運放輸入以及運放輸出和負載。一個好的解決辦

7、法是斷開輸入和輸出,然后在所有運放的兩 個輸入腳和運放的輸出腳上檢查直流電壓。所有的電壓都必須非常接近虛地的電壓,如果不 是,前級的輸出就就必須要用電容做隔離。(或者電路有問題) 1. 4組合運放電路 在一些應(yīng)用中,組合運放可以用來節(jié)省成本和板上的空間,但是不可避免的引起相互之 間的耦合,可以影響到濾波、直流偏置、噪聲和其他電路特性。設(shè)計者通常從獨立的功能原 型開始設(shè)計,比如放大、直流偏置、濾波等等。在對每個單元模塊進行校驗后將他們聯(lián)合起 來。除非特別說明,否則本文中的所有濾波器單元的增益都是1。 1. 5選擇電阻和電容的值 每一個剛開始做模擬設(shè)計的人都想知道如何選擇元件的參數(shù)。電阻是應(yīng)該用1

8、歐的還 是應(yīng)該用1兆歐的? 一般的來說普通的應(yīng)用中阻值在K歐級到100K歐級是比較合適的。 高速的應(yīng)用中阻值在 100歐級到1K歐級,但他們會增大電源的消耗。 便攜設(shè)計中阻值在1 兆級到10兆歐級,但是他們將增大系統(tǒng)的噪聲。用來選擇調(diào)整電路參數(shù)的電阻電容值的基 本方程在每張圖中都已經(jīng)給出。如果做濾波器,電阻的精度要選擇1% E 96系列(參看 附錄A)。一但電阻值的數(shù)量級確定了,選擇標準的E 12系列電容。用 E 24系列電容 用來做參數(shù)的調(diào)整,但是應(yīng)該盡量不用。用來做電路參數(shù)調(diào)整的電容不應(yīng)該用5%的,應(yīng)該 用1%。 基本電路 2.1放大 放大電路有兩個基本類型:同相放大器和反相放大器。他們的

9、交流耦合版本如圖三所示。 對于交流電路,反向的意思是相角被移動180度。這種電路采用了耦合電容一一Cin。Cin 被用來阻止電路產(chǎn)生直流放大,這樣電路就只會對交流產(chǎn)生放大作用。如果在直流電路中, Cin被省略,那么就必須對直流放大進行計算。 在高頻電路中,不要違反運放的帶寬限制,這是非常重要的。實際應(yīng)用中,一級放大 電路的增益通常是100倍(40dB),再高的放大倍數(shù)將引起電路的振蕩,除非在布板的時候 就非常注意。如果要得到一個放大倍數(shù)比較的大放大器,用兩個等增益的運放或者多個等增 益運放比用一個運放的效果要好的多。 INVERTING Gain - - R2 R1 R3R1|R2 Tc mi

10、nimum orror due S Input curTBnt hlONIMVERT|J+G Gain = 1 + R2P1 In pul= R1|R2 for minimum error due fa input bu)4 curranf 圖三 2.2衰減 傳統(tǒng)的用運算放大器組成的反相衰減器如圖 4 所示 INVERTING Gsin R2R1 R1|R2 l|R2 fcr minimum oiTOr dua to input 匕皿 current R1 丄 圖四 在電路中R2要小于R1。這種方法是不被推薦的,因為很多運放是不適宜工作在放大 倍數(shù)小于1倍的情況下。正確的方法是用圖5的電路。

11、Rf 2 INVERTING *Vcc Q Component values ncKvnalLzd to unity RlnA 1 RlnB 1 VCCjJ 圖五 在表一中的一套規(guī)格化的R3的阻值可以用作產(chǎn)生不同等級的衰減。對于表中沒有的 阻值,可以用以下的公式計算R3 = (Vo/Vin)/(2-2(V o/Vin) 如果表中有值,按以下方法處理: 為Rf和Rin在1K到100K之間選擇一個值,該值作為基礎(chǔ)值。 將 Rin除以二得到 RinA 和RinB。 將基礎(chǔ)值分別乘以1或者2就得到了 Rf、Rin1和Rin2,如圖五中所示。 在表中給 R3選擇一個合適的比例因子,然后將他乘以基礎(chǔ)值。

12、比如,如果 Rf是20K , RinA和RinB都是10K,那么用12.1K的電阻就可以得到3dB的 衰減 DB Pad Vout/Vin R3 0 1 oooo 0 5 0 9441 8 4383 1 0.8913 4.0977 2 0 7943 0 9311 2 0.7079 1 2120 3 01: 0 7071 1 2071 3.52 -0.6667 1.000 r 4 06310 0.8549 .5 0.5623 0.6424 6 0 5012 0 5024 6 02 a 6000 0 5DD0 7 0.4467 0.4036 8 0 3981 0 3307 9 0.3548 0.2

13、750 g 54 0 3333 0 2500 10 0.3162 0.2312 12 0 2512 0 1677 12.04 0.2500 0.1667 1398 0 2000 0.1250 15 a 1778 0 1 D81 15.56 0 1667 0.1000 16 90 0 1429 0 08333 16 0 1259 0.07201 18 06 0 1 250 0 07143 19.08 0.1111 0.06250 20 0 1000 0 05556 25 a.0562 0.02979 30 0.0316 0 01633 40 a oioo 0.005051 50 0.0032 0

14、.001586 60 0.0010 0 0005005 圖六中同相的衰減器可以用作電壓衰減和同相緩沖器使用。 (Vln2 - Vhl1) R1|R?SR|R4 ror irMriihiurri Eg to *npirt current w -in . 圖八 2. 5模擬電感 圖九的電路是一個對電容進行反向操作的電路,它用來模擬電感。電感會抵制電流的 變化,所以當一個直流電平加到電感上時電流的上升是一個緩慢的過程,并且電感中電阻 上的壓降就顯得尤為重要。 L = R1*R2C1 +VCC 圖九 電感會更加容易的讓低頻通過它,它的特性正好和電容相反,一個理想的電感是沒有電 阻的,它可以讓直流電沒有

15、任何限制的通過,對頻率是無窮大的信號有無窮大的阻抗。 如果直流電壓突然通過電阻R1加到運放的反相輸入端上的時候,運放的輸出將不會 有任何的變化,因為這個電壓同過電容 C1也同樣加到了正相輸出端上,運放的輸出端表現(xiàn) 出了很高的阻抗,就像一個真正的電感一樣。 隨著電容 C1不斷的通過電阻 R2進行充電,R2上電壓不斷下降,運放通過電阻 R1汲 取電流。隨著電容不斷的充電,最后運放的兩個輸入腳和輸出腳上的電壓最終趨向于虛地 (Vcc/2)。 當電容C1完全被充滿時,電阻 R1限制了流過的電流,這就表現(xiàn)出一個串連在電 感中電阻。這個串連的電阻就限制了電感的 Q值。真正電感的直流電阻一般會比模擬的電 感

16、小的多。 這有一些模擬電感的限制: 電感的一段連接在虛地上 模擬電感的 Q值無法做的很高,取決于串連的電阻R1 模擬電感并不像真正的電感一樣可以儲存能量,真正的電感由于磁場的作用可以引起很 高的反相尖峰電壓,但是模擬電感的電壓受限于運放輸出電壓的擺幅,所以響應(yīng)的脈沖受限 于電壓的擺幅。 2. 6儀用放大器 儀用放大器用于需要對小電平信號直流信號進行放大的場合,他是由減法器拓撲而來 的。儀用放大器利用了同相輸入端高阻抗的優(yōu)勢。 基本的儀用放大器如圖十所示 Rl=FE=FEFNbCFR TC = RJ (rMtcne-ri) R2 = R4 (matchifrdj R5 = RG Gain 二(1

17、 + 2R5R7) 圖十 這個電路是基本的儀用放大電路,其他的儀用放大器也如圖中所示,這里的輸入端也使 用了單電源供電。這個電路實際上是一個單電源的應(yīng)變儀。這個電路的缺點是需要完全相等 Op Amps for Every one)。圖十 的電阻,否則這個電路的共模抑制比將會很低(參看文檔 中的電路可以簡單的去掉三個電阻,就像圖一中的電路。 AS Q 圖二十二 3. 2. 4 Fliege 濾波器 Fliege濾波器采用了雙運放結(jié)構(gòu)(圖二十三圖二十六),所以相對于單運放實現(xiàn)的濾 波器他是一種成本較高的濾波器,但是他對拐點頻率或者Q值有非常強的控制能力,可以 非常方便的進行調(diào)整,而且他是一種全新的

18、濾波器。用它組成的低通、高通、和帶通濾波器 的增益是固定的,帶阻濾波器他的增益是一。 LOW PASS R2 s R3 R C1 =C2 = C = R5, not critical Fo 1 i(2pRC) Gataii fiKB-cl at 2 R1 - R/JJ Butterwortti R1 R八2 Chebyshev R1 Rf 2 Chebyshev Ri kM Q high 陽= high Q R1 whoutd ba R 5 屯=RI s R Cl CZ = C U = RS, not critical Fo = V(2pHC| 斗1 J- VGGil W2 Clwbihvv

19、RC 剛 2 BqsI *rr HIGH PASS R2=R3=R4RS=F| =C3=C Fob 1 (2pRC) RB = R/2 Birttftnwirlh RC 扌背f、? Chby0w R6R2BkI Umty On In C1=C Ri=4t GM: R1,R ANDCHC BAND PASS R2 = R3- R4 = R5- R 1 =C2 = C Fo = 1/!(2pRC| UnHy Gam: R1-R6 Other Gain: -R2. not critical C1 = C2 = C Fo-1/2pRC) R3 = R4 unity gah Gain = -R4;R3

20、R4 also controls Q low lue. low Q high value, high Q 圖三十 圖三十一 3. 2. 7 Sate Variable Sate Variable是一種三運放或四運放的拓撲結(jié)構(gòu)。第四個運放在帶阻濾波器中必須使 用。他也是一種非常便于調(diào)整的濾波器拓撲結(jié)構(gòu),并且他可以很方便的在低通和高通濾波器 之間相互轉(zhuǎn)換,另外對于帶通和帶阻濾波器的Q值也可以非常方便的進行調(diào)整。但是不幸 的是,Akerberg Mossberg并不是一種令人喜歡的拓撲結(jié)構(gòu)。因為調(diào)整增益、類型、Q值 和限制的電阻是同一個電阻。 這就是很多人不愿意用它的原因,除非在應(yīng)用中同時需要高通、 低通、帶通和帶阻濾波器。 Bio CO R7 0 HP iLPmii *OTOI H1 日啡4*”對厲島加N1191縣幌 Unity an A7 * fE HP ftl. H R1* nikd 4 CI-C1-C RT = Wl Buimrwoirm! aponiii u-u-ii IFa* WldtCl BFVMI NOTCH R7 rniigh忖汕 Q R? tee wki* taw a Rf ClMibywhNiv 站I Mi

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