工业控制 | 能源技术 | 汽车电子 | 通信网络 | 安防监控 | 智能电网 | 移动手持 | 无线技术 | 家用电器 | 数字广播 | 消费电子 | 应用软件 | 其他方案

电路设计->基础电路图->运算放大电路图->如何正确使用运算放大器

如何正确使用运算放大器

作者:dolphin时间:2017-04-13浏览次数:7615

电路理论是运放的基础,所以首先提及戴维宁变换:任何一个两端点的电路都可以用一个电压源和一个串联电阻来代替,我们用图1来解释这个变换。左边是原先的电路,右边是变换后的电路。变换后的电压源等于原先的路端电压1.67 V,而变换后的串联电阻等于原先电路的两个电压源短路后,从A、B端看进去的电阻值0.67 kΩ。有了它,复杂电路的分析便迎刃而解。当然,使用戴维宁变换的前提是“电路必须线性”。幸好,我们遇到的电路大都是“线性”的,或者可以被看作“线性”的,或者在某个区间内可以看作是“线性”的。比如,电阻和电容是线性的(“欧姆定律”的本质就是线性);电感通常可以看作是线性的;晶体管,无论是双极的还是 MOS 的,都是非线性的;但如果设计得好,可以保证在某个区间内是线性的;而运放能使这个区间得以扩展。

图1 戴维宁变换
  运放的结构和性能是千变万化的,但运放又是简单的,它的简单在于它有极高的放大倍数,比如几万倍甚至更高;这当然是指低频区的情况,比如几百或几千赫兹。显然,如此高的放大倍数只有通过负反馈才可使用。有了负反馈,运放电路(包括运放及其外部元件)的特性就与运放无关,而只取决于外部元件,因而才可以对信号作加减、积分、微分等运算。这里的奥妙是,运放有极高的增益,而外电路是线性和稳定的。
  运放电路的分析
  那么如何来分析一个运放电路呢?这里先讲低频下如何分析,之后再说明高频时的一些问题。
  所谓“低频”是指在这些频率下,运放输出端上信号的相位与输入端基本一致,所以反馈到输入端的信号就与输入信号反相(运放的反馈总是连接到反相端的),运放电路就一定稳定。在分析运放电路的技巧是:两个输入端总是等电位的,所以在分析时就可以在两个输入端之间随意转移。例如,我们来计算图2中电路的增益;图中的VREF是直流输入,用来设定输出偏压。首先,由于运放输入端的阻抗非常高,所以运放同相输入端的电压VIN+=VINR2/(R1+R2)。由于运放两个输入端的电位总是相等,所以反相输入端的电压VIN-=VIN+=VINR2/(R1+R2)。由此,流过RG的电流等于IGF=(VREF-VIN-)/RG=(VREF-VINR2/(R1+R2))/RG。由于反相输入端的阻抗非常高,所以IGF将全部流过RF,这样,输出电压VOUT=VIN--IGFRF=VINR2/(R1+R2)-(VREF-VINR2/(R1+R2))RF/RG。由于增益与VREF无关,所以电路增益m=VOUT/VIN=[R2/(R1+R2)]×(1+RF/RG)。

图2 运放增益的计算
  如果把运放电路的放大倍数设计得太低(比如1倍以下),这就把运放输出信号几乎全部地反馈到了输入端。当输入信号穿过运放内部时,存在于许多节点上的电容会使信号产生相位滞后;在高频下,这个相位滞后可以大到超过180°(一个极点最终产生90°的相移),加上负反馈的180°,就使反馈信号与输入信号同相。结果是,低频时的负反馈在高频下变成了正反馈,运放电路就不稳定。奈奎斯特判据说的就是这个意思。从振荡器的角度看,这就是所谓的“振幅平衡”和“相位平衡”,或叫Barkhausen准则。
  如果设计的电路不稳定,我们可以做的是对电路进行一些补偿。这包括幅度补偿和相位补偿,而补偿的目的是改变反馈信号的幅度或相位。只要反馈的幅度小于输入信号或相位不等于180?,振荡就不会发生。严格一些说,这个幅度和相位是指环路增益的幅度和相位,而环路增益等于运放增益(A)与反馈系数(β)之乘积。我们有时把一个电容接入不稳定的电路,电路就变得稳定了,其原因是电容降低了高频增益,使相移积累到180?时,增益早就小于1了。不过,这通常在运放性能非常富裕时才这样做。
  回过来说,任何一个电路的稳定性是与输入信号无关的;上面所说的引起振荡的输入信号不是指电路的输入信号,而是指电路中的一些杂散信号,比如噪声。我们不要把运放电路的增益设计得太低(使用很深的负反馈),至少不要低于产品说明书中的规定值。作为一个设计要点,运放电路的增益越低,电路就越不稳定,这也许跟我们有些人的想法正好相反。如果你想较好地发挥运放的能力,就应该了解一些反馈系统的基本原理。
  失调电压是一个与精度有关的运放指标(失调电流现在一般都小得可以忽略)。理想情况下,运放的输入为0时,输出也为0。但由于运放内部器件的个体差异(比如器件的对称性、芯片的温度梯度等),这个输出肯定不等于0。我们通常要在输入端加一个很小的电压,才可使输出为0;而加在输入端上的这个小电压就叫“失调电压”,或称“输入失调电压”。这是个直流参数,一般不随频率而变。
  全差分运放主要用来为高端转换器提供差分输入信号,或者说,依靠全差分运放把单端信号(信号的一端接地)转换成差分信号(与地电位无关)。全差分运放与单端运放在结构上的最大不同点,是它的输出共模电压;所谓“输出共模电压”就是指两个输出端上输出信号摆动的中间值。
  单端运放输出电压的中间值是靠反馈电阻设定的,如图2中当V IN=0时,输出电压就被固定为V OUT=-VREFRF/RG。
  但全差分运放的反馈电路无法对输出电压的中间值进行调控,这就需要另加一个输出共模电压反馈电路(CMFB)。当设计全差分运放时,必须考虑这个问题。
  全差分运放
  近年来,模拟电路的低电压运行为全差分运放提供了更多的应用。
  这主要是因为在相同的电源电压下,全差分运放可以提供两倍的动态范围(DR),这在低压电路中是非常宝贵的。全差分运放的另一个优点是不存在偶次谐波失真,这是由于全差分运放在正负两个方向上的摆幅可以设计成非常对称(单端运放难以实现这一点),这也就进一步提高了运放电路的SNR(信噪比)和DR。可以预期,全差分运放将有越来越多的应用。
  说到DR,我们也许有一些误解。
  DR是指电路的输出可以达到的最大信号与最小信号之比。电路的最大信号主要受限于电源、器件的饱和压降等,最小信号受限于器件的噪声水平等。当输入信号增加到允许的最大值时,SNR(信噪比)便与DR相等;而提高DR的途径是提高电源电压、扩展器件线性区、降低噪声等。顺便提一下,数字电路也有一个DR,但数字电路的DR非常简单:字长每增加一位,DR就增加6dB 。还有,信号或参数本身也有一个DR,做DSP电路设计的朋友就会遇到这个情况,他们需要对每个信号或参数分配恰当的位数,位数太多了是浪费,太少了会溢出。



解决方案


评论

技术专区