运算放大器使用技巧与使用总结.docx

运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。目前，运算放大器被广泛应用于电子行业中，但是如果在使用运算放大器的过程中不“遵守”一些规则，可能会造成严重后果。下面谈谈我用运算放大器的一点体验和经验。1.运算放大器的输出电压问题目前市场上的运算放大器依然存在一些不可避免的缺陷，输出电压很难达到其理想的电源电压（空载情况下可以达到电源电压）。而且实际应用中，输出电压都会带有一定的负载，负载越大，其电压损耗越大。那么这个时候如果引入负电源，其电压输出就能够达到理想的电源电压范围。2.运算放大器反馈回路千万不能并接电容如果一个用于直流信号放大的电路，为了去耦，不小心把电容并接到了反馈回路，反馈信号的相位发生了改变，很容易就会发生振荡。所以，在放大电路中，反馈回路不能加入任何影响信号相位的电路。3.反馈回路的Layout注意事项反馈回路的元器件必须要靠近运算放大器，而且PCB走线要尽量短，同时要尽量避开数字信号、晶振等干扰源。反馈回路的布局布线不合理，则会容易引入噪声，严重会导致自激振荡。4 .运算放大器输入电压限制众所周知，电子元器件都是在特定的输入电压范围内正常工作的，运算放大器当然也不例外。如果运算放大器的输入电压超出范围，那么运算放大器就会出现工作不正常的现象，甚至一些更严重的情况。5 .运算放大器使用必须重视电源滤波运算放大器的电源滤波不容忽视，电源的好坏直接影响输出。特别是对于高速运算放大器，电源纹波对运算放大器输出干扰很大，弄不好就会变成自激振荡。所以最好的运算放大器滤波是在运算放大器的电源脚旁边加一个OJuF的去耦电容和一个几十UF的锂电容，或者再串接一个小电感或者磁珠，效果会更好。只要合理的使用运算放大器，便不用担心使用运算放大器带来的问题。目前随着国内智能穿戴、便携电子设备空前发展，运算放大器的应用范围将会得到进一步提升。运算放大器或“OpAmps”有五个主要的部分：Vs-VS+和VS-称为电源轨，为运算放大器供电。从概念上讲，VOUT可以输出介于VS+和VS-之间的任何电压;在实践中，它被限制为略小于VS+/大于VS-,具体取决于特定的运算放大器和负载（从运算放大器汲取多少电流）。这是由于内部晶体管上的电压降。V+和V-是运算放大器的输入端，是差分输入端，即运算放大器根据这两个输入端的差值工作。顾名思义，运算放大器对差分输入进行放大（倍增），然后将其传递到输出端。大多数运算放大器的倍增值或增益都非常高，约为100,000倍，但我们可以使用一些技术使运算放大器具有更合理的增益（例如2倍或10倍），我们将在下面的章节中看到这一点。V+也称为同相输入，V-为反相输入。比较器比较器是一种比较两个模拟电压，然后根据哪个电压较高的电压产生二进制数字输出（高或低，1或0,真或假）的器件。换句话说，比较器回答了这个问题：V+高于V-吗？在上例中，我们将运算放大器的正极电源连接到+5V,负极电源连接到OV（接地）。V-由分压器（电阻Rl和R2）提供+2.5V基准电压。运算放大器提出的问题是：V+是否大于2.5V?当V+（黄色迹线）高于2.5V（红色迹线）时，输出（绿色迹线）变为高电平/真（+5V）,当V-低于2.5V时，输出变为低电平/假电平（OV/GND）。通过更改V-处的值，我们可以更改问题-例如，V÷是否大于IV?缓冲器运算放大器的输入是高阻抗的，这意味着它们不会消耗相对较大的电流。当提供给运算放大器的源信号也是高阻抗时，这一点尤为重要，这意味着它不能提供很大的电流，否则信号会失真，因为运算放大器或负载的电流会将电压拉低。在上面的例子中，负载的输入是高阻抗的（Ik电阻限制可以提供的电流）。结果，信号（黄色迹线）在到达负载时严重失真（绿色迹线）。通过将运算放大器的输出反馈回V-,我们可以使运算放大器的增益（乘数）达到1（单位），运算放大器将从其电源轨（低阻抗）提供额外的电流。由于构成运算放大器的内部元件上的压降，我们可以看到，在这种负载下，运算放大器的输出电压最高为2.5V,但是我们可以通过为运算放大器正极供电+9V来解决这个问题：通过在缓冲配置中使用运算放大器，并为其提供足够的功率/电压，我们可以将高阻抗源转换为低阻抗输出。为了解缓冲器配置的工作机制，请考虑以下三种情况（请记住输出和V-相连）：正差分输出：V+>V-0运算放大器乘以差分并增加输出电压，从而增加V-处的电压并减小差分输入的大小。负差分输出：V+<V-o运算放大器使差值成倍并降低输出电压，从而也降低了V-处的电压，并再次减小了差分输入的尺寸。零差分输出：v+=V-O运算放大器输出保持不变。我们可以看到，运算放大器将始终调整输出/V-,以减少差分输入，直到输出与V+输入相匹配并保持稳定。另一种说法是输出跟踪V+输入。放大器最后，我们来看看运算放大器的同名实现一一实际放大。通过将反馈缩放到V-输入，我们可以在输出上获得1以外的增益（倍增）。在上面的例子中，我们有一个0.5VIkHZ正弦波输入，其中心电压为2.5V。请注意，我们还再次为正电源提供+9V电压。分压器上的比率为1：1,反馈到V-输入，增益为2。输出可能不完全符合您的预期，因为它以5V为中心，但从技术上讲，这是正确的一一所有电压都乘以2。2.5V中心变为5V,3V峰值变为6V,2V波谷变为4V（2V-3V之间的IV峰峰值幅度乘以4V-6V之间的2V峰峰值幅度）。如果我们要选择2.5V作为放大的中心电压（或偏移电压），那么我们必须将增益反馈电压参考至+2.5V（必要时可由单独的缓冲运算放大器提供）：现在我们的峰值为3.5V,波谷为1.5V,这仍然提供2V的峰峰值幅度（因此增益为2倍）。当然，我们也可以通过向运算放大器的负电源轨提供负电压（当然也可以向V+输入端提供以OV为中心的输入信号），实现以OV为中心的输入和输出：通过改变反馈分压器的比率，我们可以改变增益，例如下面的3:1分压器可以获得4倍增益：带磁滞的比较器（施密特触发器）滞后可以描述为不愿改变。滞后本质上是说，一旦我改变了，就需要说服我再次改变。当输入在阈值附近徘徊时，这对于防止输出翻转（快速变化）非常有用。例如，我们可能有一个风扇，当温度高于30°C时打开；我们可能会发现，风扇一打开，温度就下降到30°C以下（例如29.99°C）,导致风扇再次关闭。风扇一关闭，温度又回升到30°C,风扇再次打开。这个循环可能会非常迅速地重复，这既可能损坏风扇电机，又会让附近的任何人感到烦恼。向该系统添加滞后意味着：当温度达到31°C时风扇打开，但在温度降至29°C以下之前可能不会再次关闭。通过将输出反馈回V+输入，可将磁滞添加到比较运算放大器配置中：在这种情况下，我们可以看到输出在2.5V阈值之后迟迟不发生变化，直到输入再超出约IVo通过在输入中添加一些噪声，我们可以看到磁滞的作用:在上述电路中，当噪声输入超过阈值时，输出会快速打开和关闭。加上磁滞后，我们就得到了一个简洁的单开关：运算放大器规格当然，有许多不同型号的运算放大器可供选择，其规格和成本各不相同。其中一些规格包括运算放大器对输入变化的反应速度（带宽，这将决定运算放大器可处理的最高频率）、运算放大器可工作的最高电压、输出与电源电压（轨）的匹配程度、运算放大器可输出的电流大小等；在供应商网站上进行参数搜索和数据表检查，将有助于为特定应用选择正确的运算放大器。小结运算放大器是模拟信号处理电路的重要组成部分，在数字应用中也可用作比较器。Proteus为设计和测试运算放大器电路提供了大量工具和示例设计，包括基于图形的静态分析和实时交互仿真。741噪声分析示例的特点是，741运算放大器完全取自集成电路的内部元件，因此可以进行更详细的分析。运算放大器使用总结我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是他们都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。1 .电源供电和单电源供电所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC+和VCC但是有些时候它们的标识是VCC+和GNDo这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用，他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V,正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。单电源供电的电路（图一中右）运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC+,地或者VCC一引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压.这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh和Voh需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。图1通常单电源供电的电压一般是5V,这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是3V也或者会更低.出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail-ToRail的运放，这样就消除了丢失的动态范围。需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail-To-Rail的电压。虽然器件被指明是RailTo-Rail的，如果运放的输出或者输入不支持Rail-TO-Rai1,接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化,所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是RailToRail。这样才能保证系统的功能不会退化，这是设计者的义务。1.2 虚地单电源工作的运放需要外部提供一个虚地，通常情况下，这个电压是VCC/2,电路可以用来产生VCC/2的电压，但是他会降低系统的低频特性。图2Rl和R2是等值的，通过电源允许的消耗和允许的噪声来选择，电容CI是一个低通滤波器，用来减少从电源上传来的噪声。在有些应用中可以忽略缓冲运放。在下文中，有一些电路的虚地必须要由两个电阻产生，但是其实这并不是完美的方法。在这些例子中，电阻值都大于IoOK,当这种情况发生时，电路图中均有注明。1.3 交流耦合虚地是大于电源地的直流电平，这是一个小的、局部的地电平，这样就产生了一个电势问题:输入和输出电压一般都是参考电源地的，如果直接将信号源的输出接到运放的输入端,这将会产生不可接受的直流偏移。如果发生这样的事情，运放将不能正确的响应输入电压，因为这将使信号超出运放允许的输入或者输出范围。解决这个问题的方法将信号源和运放之间用交流耦合。使用这种方法，输入和输出器件就都可以参考系统地，并且运放电路可以参考虚地。当不止一个运放被使用时，如果碰到以下条件级间的耦合电容就不是一定要使用：第一级运放的参考地是虚地，第二级运放的参考地也是虚地。这两级运放的每一级都没有增益。任何直流偏置在任何一级中都将被乘以增益,并且可能使得电路超出它