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使用运算放大器时需要注意的几个重要问题

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cr315|  楼主 | 2021-8-20 10:18 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
运算放大器最初诞生时是用来作为各种模拟信号的运算,这个名字后来一直沿用至今,但是现在已经不仅仅是所谓的“运算”了,如今它充当的角色更多的是“信号调理兼放大”。

信号放大可以说是对模拟信号最基本的处理了,放大的本质是能量的控制和转换,它在输入信号的作用下,通过放大电路将直流电源的能量转化成负载所获得的能量,使得负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量,这也就说明,负载上总是获得比输入信号大得多的电压或者电流,有时这两种情况都发生。


以下是在使用运算放大器时需要注意的几个重要问题,小编争取用最简单的原理图以“看图说话”的方式来表达的清楚,以免给工程师朋友带来不必要的视觉疲劳.

1、运放的最简模型
从运放的原理来说,我们可以将运放看成是一个压控电压源,其中,运放的输出由受控电压源提供,而受控电压源的控制电压就是输入端的差分电压,如下图所示:



2、运放输出端的电流约束仍然遵循Kirchhoff电流定律



这里不能认为流过反馈电阻 RF 的电流和流过负载电阻RL的电流是相等的,因为电流i是“有机会”流入运放的输出端的,这是由芯片内部的构造决定的,尤其是高精度应用时应该好好提防这一点。

3、使用运放时需要注意由电阻自身杂散电容 而产生的影响



这个反向比例运算电路的增益函数如下:



这里,C1会使得频率特性出现尖峰脉冲,而C2会使得高频领域的增益下降,从而导致频率特性恶化!

对于一般的低频应用而言,这个因素是可以“视而不见”的,但是如果需要低噪声环境的话,就需要尽量减小Ri和Rf的阻值,因为这样可以减小杂散电容的影响,或者干脆使用高精度的电阻也行,如果开发成本允许的话。

4、反馈系数的量化问题



从这两个图可以看出,虽然他们的增益绝对值是一样的,都是1,简单说电路都可以看作是一个电压跟随器。

显然图(b)的负反馈系数要大,性能应该会更好,但是它防止振荡的能力却不如图(a)的电路,因为它对于信号的变化过于“敏感”。

所以在实际设计电路时,对于反馈系数的量化问题是不能含糊的,它很大程度地决定了系统的“稳”、“快”、“准”这三个方面。

最终的电路设计应该是这三个方面的折中,以此达到传说中的性能最优化。

5、单电源供电时需注意输出电压摆幅的问题



如上图所示,由于是单电源供电,那么运放的两个输入端必须加有直流偏压,而且为了使电路的输出电压的动态范围最大化,一般要求VP=VN=VCC/2。

此外,这里运放的输入、输出端的直流电位不为零,So,需要采用电容(C1、C2)来合信号。

6、注意运放的输入寄生电容



由于运放的内部结构因素,导致运放具有数pF~数十pF的输入寄生电容,这自然使得运放的稳定性变差了,输入寄生电容会和输入电阻一起形成一个容易被人忽略的LPF,倘若输入信号的频率超过一定值,则就会丢失信息。这个频率值函数为:



为了解决这个问题,一般采用如下电路所示的方法:



由于输入寄生电容使得相位滞后,因此可以用超前相位的补偿来防止振荡,上图中的CF有相位超前的作用,有效地解决了寄生电容所带来的问题。通常CF取值要稍大于Ci。

7、需要防止运放进入非线性区,除非该运放用于比较器电路



这是一个很普通的积分电路。如果输入信号的频率过低的话,则没有反馈回路了,即此时电路处于开环状态,也就意味着运放的电压增益非常大,输出电压将极易进入非线性区,就失去信号放大的意义了。

为此,我们可以在电容两端并联一个电阻来加以限制运放的增益。如下图


8、应该知道输出电阻


对于图(a)来说,输出电阻由R决定,而对于图(b)来说,由于R放在反馈电路内部,所以它的输出阻抗 非常低,驱动能力比图(a)所示电路显然要好。

以上只是运算放大器的使用注意事项中的几个点,更多的得需要我们不断的学习总结,不断积累,以及借鉴前人的经验,只有这样,我们才能更好地认识和运用运算放大器,才有可能把前端信号调理地更好。

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沙发
hk6108| | 2021-8-29 23:16 | 只看该作者
放大也是一种「运算」,不过,狭义的运算,是多个讯号的总合结果,放大则可视作「系数」。

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板凳
hk6108| | 2021-8-29 23:19 | 只看该作者
模拟乘法器,在差分电路中执行 差模乘共模 的操作。

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评论
hk6108 2021-8-30 20:43 回复TA
毕竟,人眼不是显微镜,当前的灯亦依然不够省油,运算结果须放大了才能用,差动电路是个放大器,有增益的,为忠于运算结果,增益(系数)须为常数。 
地板
hk6108| | 2021-8-30 20:11 | 只看该作者
跟随  
的定义,除了幅度,还有方向,
共同进退 並驾齐驱,才是跟随。

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5
hk6108| | 2021-9-1 18:43 | 只看该作者
案例5的  单电源  的案例是  反相放大,
静态时的反馈,跟 案例4 的a或b 都不一样(近于b) 。

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6
hk6108| | 2021-9-1 20:53 | 只看该作者
案例7 ,开环状态是避免了,但 积分功能 並没改善,
况且,电容並联了电阻,交流参数配置就跟 只有电容 不一样了吧。

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