开工后的一段经历——道理都懂，一用易忽略的几个模拟.....

只看该作者 · 2022-3-1 19:42

本帖最后由纪国圣于 2022-3-1 19:49 编辑

#申请原创#

我最近所做的项目都是与模拟相关，有新项目也有改造老项目。在这之中发现了一些很基本但也是大家（主要是新手）很容易忽略的模拟电路设计问题。现将遇到的一些问题与感想总结一下。

一、多多关注数据手册

讲到这一点，不得不为自己的粗心而脸红。先简单讲一下设计要求：

1. +5V单电源供电

2. 输入范围0-1.5V

3. 输出范围0-3V

4. 输入信号频率3-10k

这是一款没有什么难度的单电源放大电路设计，按道理应该没有什么好说的，可是因为自己的一个粗心导致自己在阴沟内翻船。先讲一下设计思路：

1. 因为是单电源供电，所以使用同相放大，放大倍数为3/1.5=2；

2. 因为最大输入信号频率为10k，所以结合放大倍数，增益带宽积不小于20k；

3. 输入信号为正弦信号，所以压摆率不小于

；

4. 根据设计要求的输入输出范围（其中0V要求小数点后2位即可），可以选择不是输入输出轨到轨的运放，因此选择运放的范围就放宽了许多。但这也我阴沟内翻船埋下了伏笔。

5. 由于输入信号最大为10k，所以放大电路的-3dB应远大于10k。

好了到这里大体可以确定运放了。这里我选择了TL082。为什么选择这款运放呢？因为考虑到后续可能会提升设计要求，所以放宽了许多的指标，而且最重要的是这款运放-很-便-宜！

并且其他产品中用量很大，所以优先考虑这款运放。同时因为赶时间，没细看手册，想当然的认为没什么问题，所以铸成大错。其实仔细看一下数据手册就会发现问题：

供电电压范围、带宽积、压摆率都符合要求，因为对失调电压没有严格的要求，所以其失调电压也可以接受。问题就在于其较窄的输入输出范围。根据其手册的标注，5V单电源电压减去这个4V输入范围后根本不满足设计要求的（其实这里就是问题所在）。

到了实际的调试中发现TL082输出完全是一堆杂乱的信号，完全不能实现放大功能。由于没仔细看手册，所以想当然想难道运放有问题？换了几个运放都是如此，内心十分郁闷。后来又仔细阅读手册才发现其输入范围根本就不符合设计要求！换了一个输入输出轨到轨的运放就可以看到期望的信号了。

作为了一个老手居然犯了如此低级的错误实属不该，也希望新手们同时也是我在今后的设计中要多注意这方面的细节，千万不要因为赶时间和过去的所谓使用经验想当然，一定要多看数据手册！

二、运放失调电压惹的祸

这是对一款老产品做改造时发现的问题。问题是这样的：对一使用DCDC芯片搭建的恒流源做调节时，发现当电位器调节到底的时候，恒流源仍会输出一个可观测到的很小的电流。恒流源电路示意图如下：

当时将电位器移除，参考信号直接接地，发现恒流源可以做到电流输出为满足小数点后三位为0的设计要求。测量中发现电位器旋到底时有残压，那么可以肯定作为参考信号的电位器输出到底时值仍较大，所以造成电流会有“残留”。同时这个问题在批量生产中时有时无，一度怀疑是电位器生产离散性的问题。按道理只需对电位器更换就可以了，但实际情况是从正常的机器上拆下电位器换到有问题的机器上，问题也是时有时无，所以根本原因不在这里。

于是乎为了控制这个误差，我想到了在回路中加入一个增益为K的放大电路来减小这个输出误差。在此提前说明一下这个方案并不是最终解决方法，实际发现是一条弯路。

由于控制恒流的电路在DCDC内部，所以只能在采样反馈回路下功夫。尝试提高采样电阻值，这样“残留”的电流会被放大，从而在控制回路中被抑制。实际测试发现这样做也不能从根本上解决问题，同时也带来了采样电阻功耗变大，DCDC输出电压被抬高，参考电压因为引入K值也需要相应拓宽的问题。所以这个解决方案被否掉了。

似乎问题又回到了原点。在翻看LM358的数据手册时，意外发现A型与B型的失调电压有一个数量级的不同：

猜想可能是运放失调电压过大，加上电位器的残压造成恒流源输出不为0。换了一个B型的LM358，问题解决了。跟换一批有问题产品的运放，问题都解决了。可以肯定运放的失调电压是造成恒流源输出不为0的主要原因。

三、老生常谈—运放的轨到轨

还是上一个老产品，其电压测量部分电路示意图如下：

这个电路要求实现输出0-5V的电压，且当输出0V时小数点后三位也必须为0。这个电路有问题，首先该运放是单电源供电，同时选用了一款非输出轨到轨的运放，所以其根本不可能输出为满足要求的0V！

那输出轨到轨的运放是否满足要求？答案是看你的需求。我们看一下一款输出轨到轨的运放TLV2197的数据手册：

可以发现其输出也不可能完全为0，所以如果要求输出电压在小数点后多少位（如3位）必须为0，则轨到轨输出运放也是不满足要求的。实际上运放轨到轨的概念还是很有迷惑性的。相对于早期的运放，现在的运放在输入输出范围上有了很大拓宽，可以达到相对于电源电压几个mV的压差，所以称之为轨到轨，但实际上其不能也无法真正做到满电源输出。

四、电流采样也需要注意导线电阻的影响

这还是上一款产品中的一个设计问题。为了测量电流的大小，前任工程师作出了如下设计：