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[導(dǎo)讀]運(yùn)算放大器的使用是電工的必修課,有人依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和網(wǎng)友討論,總結(jié)了使用三大步驟。 一、如何實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)放大? 傳感器+運(yùn)算放大器+ADC+處理器是運(yùn)算放大器的典型應(yīng)用電路,在這種應(yīng)用中,一個(gè)典型的問(wèn)題是傳感器提供的電流非常低,在這種情況下,如何完成信號(hào)

運(yùn)算放大器的使用是電工的必修課,有人依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和網(wǎng)友討論,總結(jié)了使用三大步驟。


一、如何實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)放大?

傳感器+運(yùn)算放大器+ADC+處理器是運(yùn)算放大器的典型應(yīng)用電路,在這種應(yīng)用中,一個(gè)典型的問(wèn)題是傳感器提供的電流非常低,在這種情況下,如何完成信號(hào)放大?

對(duì)于微弱信號(hào)的放大,只用單個(gè)放大器難以達(dá)到好的效果,必須使用一些較特別的方法和傳感器激勵(lì)手段,而使用同步檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)可以得到非常好的測(cè)量效果。這種同步檢測(cè)電路類(lèi)似于鎖相放大器結(jié)構(gòu),包括傳感器的方波激勵(lì),電流轉(zhuǎn)電壓放大器,和同步解調(diào)三部分。需要注意的是電流轉(zhuǎn)電壓放大器需選用輸入偏置電流極低的運(yùn)放。另外同步解調(diào)需選用雙路的SPDT模擬開(kāi)關(guān)。

另有工程師朋友建議,在運(yùn)放、電容、電阻的選擇和布板時(shí),要特別注意選擇高阻抗、低噪聲運(yùn)算和低噪聲電阻。有網(wǎng)友對(duì)這類(lèi)問(wèn)題的解決也進(jìn)行了補(bǔ)充,如:

1) 電路設(shè)計(jì)時(shí)注意平衡的處理,盡量平衡,對(duì)于抑制干擾有效,這些在美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體、BB(已被TI收購(gòu))、ADI等公司關(guān)于運(yùn)放的設(shè)計(jì)手冊(cè)中均可以查到。

2) 推薦加金屬屏蔽罩,將微弱信號(hào)部分罩起來(lái)(開(kāi)個(gè)小模具),金屬體接電路地,可以大大改善電路抗干擾能力。

3) 對(duì)于傳感器輸出的nA級(jí),選擇輸入電流pA級(jí)的運(yùn)放即可。如果對(duì)速度沒(méi)有多大的要求,運(yùn)放也不貴。儀表放大器當(dāng)然最好了,就是成本高些。

4) 若選用非儀表運(yùn)放,反饋電阻就不要太大了,M歐級(jí)好一些。否則對(duì)電阻要求比較高。后級(jí)再進(jìn)行2級(jí)放大,中間加入簡(jiǎn)單的高通電路,抑制50Hz干擾。

二、運(yùn)算放大器的偏置設(shè)置
在雙電源運(yùn)放在接成單電源電路時(shí),工程師朋友在偏置電壓的設(shè)置方面會(huì)遇到一些兩難選擇,比如作為偏置的直流電壓是用電阻分壓好還是接參考電壓源好?有的網(wǎng)友建議用參考電壓源,理由是精度高,此外還能提供較低的交流旁路,有的網(wǎng)友建議用電阻,理由是成本低而且方便。對(duì)此,我認(rèn)為,雙電源運(yùn)放改成單電源電路時(shí),如果采用基準(zhǔn)電壓的話,效果最好。這種基準(zhǔn)電壓使系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到最小的噪聲和最高的PSRR。但若采用電阻分壓方式,必須考慮電源紋波對(duì)系統(tǒng)的影響,這種用法噪聲比較高,PSRR比較低。

三、 如何解決運(yùn)算放大器的零漂問(wèn)題?
有網(wǎng)友指出,一般壓電加速度傳感器會(huì)接一級(jí)電荷放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷——電壓轉(zhuǎn)換,可是在傳感器動(dòng)態(tài)工作時(shí),電荷放大器的輸出電壓會(huì)有不歸零的現(xiàn)象發(fā)生,如何解決這個(gè)問(wèn)題?

對(duì)此,網(wǎng)友分析道,有幾種可能性會(huì)導(dǎo)致零漂:1)反饋電容ESR特性不好,隨電荷量的變化而變化;2)反饋電容兩端未并上電阻,為了放大器的工作穩(wěn)定,減少零漂,在反饋電容兩端并上電阻,形成直流負(fù)反饋可以穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn);3)可能挑選的運(yùn)算放大器的輸入阻抗不夠高,造成電荷泄露,導(dǎo)致零漂。

有網(wǎng)友還從數(shù)學(xué)分析的角度對(duì)造成零漂的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析,認(rèn)為除了使干擾源漂移小以外還必須使傳感器、纜線電阻要大,運(yùn)放的開(kāi)環(huán)輸入阻抗要高、運(yùn)放的反饋電阻要小,即反饋電阻的作用是為了防止漂移,穩(wěn)定直流工作點(diǎn)。但是反饋電阻太小的話,也會(huì)影響到放大器的頻率下限。所以必須綜合考慮!

對(duì)于電荷放大器輸出電壓不歸零的現(xiàn)象,一般采用如下辦法來(lái)解決:
1)采用開(kāi)關(guān)電容電路的技巧,使用CDS采樣方式可以有效消除offset電壓;
2)采用同步檢測(cè)電路結(jié)構(gòu),可以有效消除offset電壓。

實(shí)際上,比這三大步驟更重要的是四個(gè)使用細(xì)節(jié)。


一、采用哪種放大器
運(yùn)算放大器基本電路有反相放大器及同相放大器,在實(shí)際使用中如何選擇?
    
如果輸入與輸出要求反相,當(dāng)然要采用反相放大器,若放大的是交流信號(hào),并無(wú)相位要求則可以采用同相放大器或反相放大器。采用哪種好呢?這要根據(jù)具體情況來(lái)分析。
    

采用反相放大器的優(yōu)點(diǎn)是:運(yùn)放不管有無(wú)輸入信號(hào),其兩輸入端電位始終近似為零.兩輸入端之間僅有低于μV級(jí)的差動(dòng)信號(hào)(或稱差模信號(hào)).而同相輸入放大器的兩個(gè)輸入端之間除有極小的差模信號(hào)外,同時(shí)還存在較大的共模電壓。

雖然運(yùn)放有較大的共模抑制比,但多少也會(huì)因共模電壓帶來(lái)一些誤差。同相放大器的優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗極高,因此輸入電阻取大取小影響不大,而反相放大器的輸入阻抗Zi與輸入電阻Ri大小有關(guān)(輸入阻抗Zi等于輸人電阻Ri)

    
例如,輸入阻抗要求100kΩ;增益要求300,則若采用反相放大器時(shí),Ri=100kΩ,Rf=30MΩ.這樣大的反饋?zhàn)柚祵?duì)通用運(yùn)放很難正常工作了,在這種情況時(shí),采用同相放大器更合適。
   
另外,還要看信號(hào)源的內(nèi)阻大小。某些傳感器的內(nèi)阻較大,若采用輸入阻抗較小的放大電路,會(huì)影響測(cè)量精度、在這種情況時(shí)采用同相放大器更為合適。
    
這里介紹一種既采用反相放大器,而且也不采用阻值大的反饋電阻的電路,如圖1所示這電路中的反饋電阻Rf不直接接在輸出端,而按在由R1、R2組成分壓器的中點(diǎn)A?,F(xiàn)對(duì)此電路進(jìn)行一些分析。

此電路要求輸入阻抗為100KΩ,增益為-500。按一般反相放大器設(shè)計(jì),Ri=100 KΩ,Rf=50MΩ。
   
A點(diǎn)的分壓比為R1/(R1+R2)=1/500,且有R1《Rf。根據(jù)“虛短”及“虛斷”原則,可以列出下式:

Ii=Vi/100KΩ=If,
IfRf=-VA,

代入可得VA=-Vi。


由A點(diǎn)可列出節(jié)點(diǎn)電流方程:Ii+If=I2及Ii=(0-VA)/R1=Vi/100;所以,I2=(Vi/100Ω)+(Vi/100KΩ)≈Vi/100Ω。由此可求出:


V0=VA-I2R2=-Vi-(Vi/100Ω)X49.9kΩ=-500Vi,即滿足Vo/Vi=-500的要求.
   
在計(jì)算中略去If會(huì)造成一些誤差,但因Rf>>R1,在本例中If僅為Ii的千分之一,故這種誤差是不大的。
  

若需要采用同相放大器,使輸入與輸出同相,可采用圖2的電路。讀者可以自行推導(dǎo)一下其增益是多少。


二、Ri、Rf的選取
從反相放大器及同相放大器的增益公式可知,其增益取決于Rf與Ri的比值。并且通過(guò)實(shí)驗(yàn),在一定范圍內(nèi),Ri、Rf變化,只要它們之間的比值不變,增益也不變,在具體設(shè)計(jì)中電阻阻值如伺選擇呢?

以前的實(shí)驗(yàn)中,并沒(méi)有加負(fù)載,而實(shí)際的放大電路是有負(fù)載電阻RL的;如圖3所示.
 
1、電阻取值太小    
設(shè)計(jì)一個(gè)反相放大器,若增益為-100,能否取Ri=10Ω,Rf=100Ω,Rf=lkΩ呢?這比值是對(duì)的,但實(shí)際是不行的.這可以從兩方面來(lái)分析:

(1)運(yùn)放輸出的電流是流向負(fù)載電阻及Rf的,可以看作RL與Rf并聯(lián)。所以當(dāng)Rf取得很小時(shí)(如10—100Ω),則流過(guò)Rf的電流就大,運(yùn)放有限的輸出電流能力就不能充分利用,甚至使放大器很快飽和,放大器的輸出電壓范圍變得很小,即線性范圍很窄.例如,若Rf為500Ω,當(dāng)輸出電壓為10V時(shí),將要20mA流入Rf(若Rf取100Ω,則要100mA),而一般運(yùn)放輸出電流僅土10-20mA.另外,Rf過(guò)小,使管耗過(guò)大,發(fā)熱嚴(yán)重,可能要燒壞器件.   

(2)反相放大器的輸入阻抗等于Ri,所以Ri取得很小時(shí),其輸入阻抗就很小。當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻較大時(shí),信號(hào)就輸不出來(lái)。
    
2、電阻取值太大
Ri及Rf取得過(guò)大時(shí)可能會(huì)帶來(lái)較大的電流漂移干擾.如Rf取10MΩ,則100nA的工作偏流IiB在Rf上將形成1V壓降影響輸出,IiB若稍有變化,則會(huì)造成輸出信號(hào)的嚴(yán)重漂移,且會(huì)形成對(duì)外部干擾很敏感的電路。若用手指觸摸10MΩ電阻,則輸出是混有噪聲的削頂波形。另外,由于存在分布電容的因素,當(dāng)工作頻率較高時(shí),頻率特性將變壞。
    
一般電阻在1kΩ-lMΩ之間選取,而在10~100KΩ之間選取是較常見(jiàn)的。
    
其次的問(wèn)題是如何選擇電阻的精度等級(jí).在對(duì)放大倍數(shù)要求不嚴(yán)的應(yīng)用場(chǎng)合,如音響電路的前置放大電路,采用5%精度的電阻即可。對(duì)精度要求高的放大器可采用1%或0.5%的高精度電阻。一般都采用金屬膜電阻。
    
在業(yè)余條件下,可以采用數(shù)字式萬(wàn)用表歐姆檔來(lái)選配電阻,住住可獲得較好效果。
    
這里要指出的是,電阻的阻值也是會(huì)隨溫度變化而變化的,則它會(huì)影響放大器的溫漂,所以在精度要求較高的放大器中,應(yīng)選用溫度系數(shù)較小的電阻,一般高精度電阻其溫度系數(shù)在lOOppm/。C以下(ppm表示百分之一)。
     
最后提一下電阻的功率.由于流過(guò)Ri、Rf、Rp電阻的電流都很小,一般可選用1/8W-l/16W的金屬膜電阻,若現(xiàn)有1/4W的也可用。
     
3、能否用半可調(diào)電阻代替Ri,Rf ?     
由于電阻的阻值有一定的誤差,能設(shè)定的增益與實(shí)際增益有一定的差別,而精密電阻價(jià)格較貴,并且尺寸較大,能否采用半可調(diào)電阻來(lái)代替Ri及Rf,通過(guò)調(diào)整來(lái)滿足增益的要求,如圖4(a)、(b)、(c)所示:
    
從原理上來(lái)看,三種方案都可以的,但實(shí)際上有一些問(wèn)題。首先是半可調(diào)電阻的接觸不太可靠,在振動(dòng)或撞擊時(shí)可能會(huì)改變其阻值,一般的半可調(diào)電阻的電阻層是碳膜的,它的溫度系數(shù)較大,與其他電阻溫度系數(shù)數(shù)不匹配,容易產(chǎn)生溫漂,因此不適合精度高的放大器,從圖4(a)與4(b)比較,采用(b)方案較好,Rf的變化對(duì)Rp的影響較小。方案(c)雖然增益調(diào)整范圍極大,但實(shí)際調(diào)節(jié)范圍不應(yīng)過(guò)大。在增益調(diào)節(jié)中采用精密多圈電位器較好,它的特點(diǎn)是:調(diào)節(jié)方便、精確、溫度系數(shù)較小。

三、緩沖器的應(yīng)用
圖5(a)是大家熟悉的同相放大器電路。如果電路中Ri=∞,Rf=0,則電路變成圖5(b)的樣子,它就是緩沖器電路。
    
由同相放大器增益公式1+Rf/Ri可知,若Rf=0,Ri=∞,則其增益為1。同樣,用“虛短’的原則來(lái)分析:反相輸入端的電壓等于同相端的電壓,而反相端已與輸出端直接連接在一起,即V0=Vi.這樣增益為1的電路雖然十分簡(jiǎn)單,什么外圍元件都沒(méi)有,有什么用處呢?

先按圖6來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。這里采用的是土9V電源,采用數(shù)字表測(cè)量,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:在空載時(shí)(即不接0.5k負(fù)載電阻時(shí)),在-7.06V~+8.93V范圍內(nèi)輸入電壓等于輸出電壓,且是同相的,電壓跟隨范圍相當(dāng)大。當(dāng)負(fù)載電流小時(shí),有負(fù)載及無(wú)負(fù)載沒(méi)有差別。但負(fù)載電流大時(shí),如大于14mA時(shí),輸出電壓要比輸入電壓小,即放大器提前飽和。對(duì)于輸出載電流大與輸出電壓的關(guān)系,有興趣的讀者,用可圖7所示的電路進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

緩沖器的特點(diǎn)是輸入阻抗極高、輸出阻抗極低、能輸出較大電流。因此它可用作緩沖隔離級(jí)“插入”電路中,如某些振蕩器電路若直接接負(fù)載會(huì)影響振蕩器輸出特性甚至或停振,而在振蕩器與負(fù)載之間插入緩沖器,則可穩(wěn)定地工作。又例如一些內(nèi)阻高的傳感器,如壓電式傳感器,其輸出信號(hào)非常弱,而且內(nèi)阻極高。若采用一般放大器與傳感器直接連接會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。這時(shí)傳感器與放大器間插入一個(gè)緩沖器,以起到阻抗變換的作用。
    

下面再介紹一種實(shí)用電路,如圖8所示。為防止看電視影響屋內(nèi)人學(xué)習(xí),一般可用耳機(jī)來(lái)解決(插入電視機(jī)音頻輸出孔),但如果要多人看時(shí),則可采用圖8的電路來(lái)解決。A1~A4是四運(yùn)放,接成緩沖器(LM324是單電源工作的,電源電壓可采用6V)。由于它輸入阻抗高,所以即使四個(gè)運(yùn)放輸入端都接在一起也能工作。耳機(jī)可用低阻抗的。


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