从零**放—04 单电源运放的设计【续1】

只看该作者 · 2017-4-25 09:57

本帖最后由 nenglee 于 2017-4-26 10:08 编辑

受制于工作电源，输出在0V以上，故单电源下放大电流信号只能用同相输入放大电路。所谓的同相是输入信号的相位和输出信号的相位是相同的。同相输入端和输出端内部都有个保护二极管（同相对VCC,反相对GND/VSS），所以在同相输入的时候，信号输入范围就有限制了，只能是在0V以上。并且很多规格书上都会写（单电源供电的运放）我的VCM范围是什么，通常我们的运放都会标注出来-0.1V也就是说你输入0V、-0.1V是没问题的。并且极限参数也会给出来（+ -0.3V），也就是说当我5V供电，我的输入端能够承受的（轨对轨运放）范围就是-0.3V—+5.3V，所以说我们在同相输入这里一般都是在0V以上，比如采集lowside的电流检测，负载过来一个采样电阻到地，Vi就是取在这个采样电阻上边，电流经过采样电阻之后呢就会产生一个电压，这个电压就会给到我们这个运放系统，做一个放大，然后给到后级的ADC去采集。采用同相放大时候呢我们可以做个滤波，低通滤波（一阶低通滤波）。这个电路上有个R4，这个电阻干啥用的呢？防止运放的输入浮空。比如说我做lowside电流采集的时候，当没有电流流过的时候，采样电阻上是没有电流的，没有电流就意味着没有电压，理论上应该说是0，可是有的时候呢，它的负载下边不是接的地，比如说接到一个电容（容性负载）上，这个时候Vi有可能就悬空了，那我这个R4是给他一个固定的下拉，就是为了防止它浮空，就是在任何情况我的输入是没有赋空的，即便Vi没有输入那我也没有浮空。为什么不允许浮空呢，因为运放的输入阻抗非常高，如果Ib是pA级的话，输入阻抗是1012的样子，这个时候如果前段输入是浮空的，很小的一个扰动就进入到运放了，进入运放因为是浮空，这个信号呢可大可小，那就无法判断了，经过我的放大哪怕是几十倍的放大都有可能输出是饱和的，尤其是发生在上电瞬间的时候就可能导致我的Vout输出就是饱和的，或则是震荡的，多数情况下是饱和的，可能会误触发我后边的检测系统，那么有这个R4即便上电过程中我们也能保证同相输入端为0，因为是下拉电阻吗，阻值可以选在500K-1M之间（当然是根据运放的Ib来选的，如果运放的Ib是pA级的那你用1M是没什么问题，如果是nA（LVM358 250nA-500nA）的话，这时候R4取1M的就不合适了，因为跟输入阻抗已经是一个级别了）。

C1启到了相位补偿的作用，我们取10pF~2000pF，这个值不能取太大，取太大会造成延时非常大，那么R3，R1，R2一般我们都取在K级或M以下。那有人要求我的单级放大倍数要很高，我们这里呢电阻也是有要求，电阻不能取太大，就是所谓的T型网络（就是用小的电阻获得更大的增益，后边应用实例里会做说明）。

有人说可不可以用反相输入，因为是单电源，所以它的输出是不可以低于电源轨的，单电源下它的输出范围就是0~Vcc，非轨对轨就是0~Vcc-一个值，一般减去1.5，最低输出0了，甚至0都达不到，你再用反相输入的话，那么输出就是负值，那是不可能的，运放输出不来的，只能输出0或者接近于0。

所以在单电源供电处理直流信号我们只能采用同相放大电路。7.2、单电源交流信号放大电路

单电源下放大交流信号采用同相放大或者反向放大电路都可以，同相电路亦有多种接法：

电路一同相放大电路

在反馈壁上，电路用了R2和R3做了分压，产生了一个回路，提供了一个反馈的参考电压点，实际就是我们的虚地点。反馈壁的增益怎么算呢，实际上就是R3和R2并在一起的电阻，在用R1去比（增益是R1/(R2//R3)），再加1表示增加1倍。其它的电路分析方法，跟这个电路反馈壁的分析方法是一样的。因为是交流的信号，所以输过来这里加了个C2做隔直（好多人会问，我不加C2会怎么样，不加C2的情况下有2种结果，1、如果你的信号过来没有直流偏置，并且输出的阻抗很小，那么没关系，经过我的R4和R5分压提供直流偏置之后没有任何影响，直接进到我们的系统就可以了。2、如果说源信号带有直流偏置，比如说手机的MIC输出，计算机的音频输出，它都会有一个2.5伏或者1.7伏的偏置电压，如果这个直流偏置电压没有隔掉的话，它会跟我这个R4和R5形成分压，互相会抵消，那么就是说提供这个直流偏置电压就变掉了，直流电压会打架，会做个扣减动作，那么这个时候进入我们运放的交流信号就不是我们设置的参考点了，R4和R5是来提供这个参考点的，通常我们选择的是R4等于R5）。如果你的输入或者输出不是轨对轨的话，尤其是输出不到轨的话，那么我们就可以设定偏执点根据输出电压范围来选择它一般的位置，C3同样是为了做低通滤波。采用同相输入方式的另外一个好处就是输入的阻抗非常大，因为我们是用的同相内部输入阻抗来用的，输入阻抗会相对高一些。

电路二、同相放大电路

反馈回路没有采用电阻分压的方式，而是用了一个隔直电容C4，然后接到地，也就是说它只提供了一个交流反馈回路，我们的交流信号从Vout反馈到地的时候呢，它的直流会被隔掉，只有交流会获取（因为电容是隔直流，通交流），就是提供了一个交流的反馈回路，直流信号会被阻隔下来。同相输入端呢，跟前面电路也稍微的不一样，当然也可以做成一样的，也可以通过两个电阻分压产生偏置电压，也是可以的。也可以像这个电路，用一个电阻呢接到一个参考电压上，这个参考电压一般通过运放产生（运放的动态反映时间很快（之前说的产生虚地的电路，就是一个跟随，两个电阻分压，加上一个电容，然后用跟随电路就产生了电压参考点，就可以直接接过来给到Vref）；当然也可以用LDO产生，比如用一个2.5伏的LDO接过来也是可以的）。C4的选择是有讲究的，不同信号频率我们这里选择不同的容值，计算起来较麻烦，因为C4和R2是对地的，还有形成一点滤波的效果它会对我们的信号形成一定的衰减，一般我们用经验值，当然你也可以通过仿真调试去看都可以。通常来说，音频信号（20HZ~20KHZ的信号）取1uF~10uF；如果频率更高（50KHZ~100KHZ）C4就不能取那么大了，一般是1nF~1uF（这里是经验值，也没有详细去计算，因为它的实际影响也不是特别的大）。

电路三同相放大电路

反相回路端也是接到一个虚地上去，可以是电阻分压（电路一），也可以是接到虚地上（电路三）。VCC/2最好用一个运放来产生；LDO也还行（会有噪声影响），不如直接用运放来产生的好，实际效果跟（电路1差不多）。增益就是R1/R2，因为同相放大至少放大1倍。

电路四反相放大电路

反相放大电路（就是从反相端输入），这里同样接了隔直电容，这个隔直电容是根据信号源来定的，频率越大，取值越小。R3和R4分压来做一个抬升参考点，也可以用一路运放来产生。这里电容必不可少，这里如果不加电容，电阻分压会产生电流噪声，电流噪声会叠加到同相输入端，加上C3就形成了一个低通滤波。反向放大就是输出会反相180度，因为是交流信号，那么正半周和负半周相当于是对调的，对音频信号来说没什么影响（有些争议，音频反相回来之后，还是有些不同，音乐发烧友讨论的，我们大部分人是听不出来这个差异的）。增益就是R1/R2，反馈臂上所并的电容C1同样不能取太大。

像交流信号输入端最好加隔直电容，这样可以把源信号的输入阻抗隔离开。对源信号的要求就降低了。

电路五反相放大电路