运算放大器使用的4个步骤以及Ri、Rf的选取

21ic电子网 发表于 2017-12-27 09:13:26 收藏 已收藏
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运算放大器使用的4个步骤以及Ri、Rf的选取

21ic电子网 发表于 2017-12-27 09:13:26 收藏

运算放大器的使用是电工的必修课,有人依据经验和网友讨论,总结了使用三大步骤。

一、如何实现微弱信号放大?

传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路,在这种应用中,一个典型的问题是传感器提供的电流非常低,在这种情况下,如何完成信号放大?对于微弱信号的放大,只用单个放大器难以达到好的效果,必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段,而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构,包括传感器的方波激励,电流转电压放大器,和同步解调三部分。需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的SPDT模拟开关。另有工程师朋友建议,在运放、电容、电阻的选择和布板时,要特别注意选择高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻。有网友对这类问题的解决也进行了补充,如:1) 电路设计时注意平衡的处理,尽量平衡,对于抑制干扰有效,这些在美国国家半导体、BB(已被TI收购)、ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。2) 推荐加金属屏蔽罩,将微弱信号部分罩起来(开个小模具),金属体接电路地,可以大大改善电路抗干扰能力。3) 对于传感器输出的nA级,选择输入电流pA级的运放即可。如果对速度没有多大的要求,运放也不贵。仪表放大器当然最好了,就是成本高些。4) 若选用非仪表运放,反馈电阻就不要太大了,M欧级好一些。否则对电阻要求比较高。后级再进行2级放大,中间加入简单的高通电路,抑制50Hz干扰。
二、运算放大器的偏置设置在双电源运放在接成单电源电路时,工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择,比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好?有的网友建议用参考电压源,理由是精度高,此外还能提供较低的交流旁路,有的网友建议用电阻,理由是成本低而且方便。对此,我认为,双电源运放改成单电源电路时,如果采用基准电压的话,效果最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。但若采用电阻分压方式,必须考虑电源纹波对系统的影响,这种用法噪声比较高,PSRR比较低。
运算放大器使用的4个步骤以及Ri、Rf的选取
三、 如何解决运算放大器的零漂问题?有网友指出,一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换,可是在传感器动态工作时,电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生,如何解决这个问题?对此,网友分析道,有几种可能性会导致零漂:1)反馈电容ESR特性不好,随电荷量的变化而变化;2)反馈电容两端未并上电阻,为了放大器的工作稳定,减少零漂,在反馈电容两端并上电阻,形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点;3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高,造成电荷泄露,导致零漂。有网友还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析,认为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大,运放的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小,即反馈电阻的作用是为了防止漂移,稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话,也会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑!对于电荷放大器输出电压不归零的现象,一般采用如下办法来解决:1)采用开关电容电路的技巧,使用CDS采样方式可以有效消除offset电压;2)采用同步检测电路结构,可以有效消除offset电压。

实际上,比这三大步骤更重要的是四个使用细节。

一、采用哪种放大器运算放大器基本电路有反相放大器及同相放大器,在实际使用中如何选择?    如果输入与输出要求反相,当然要采用反相放大器,若放大的是交流信号,并无相位要求则可以采用同相放大器或反相放大器。采用哪种好呢?这要根据具体情况来分析。    

采用反相放大器的优点是:运放不管有无输入信号,其两输入端电位始终近似为零.两输入端之间仅有低于μV级的差动信号(或称差模信号).而同相输入放大器的两个输入端之间除有极小的差模信号外,同时还存在较大的共模电压。

虽然运放有较大的共模抑制比,但多少也会因共模电压带来一些误差。同相放大器的优点是输入阻抗极高,因此输入电阻取大取小影响不大,而反相放大器的输入阻抗Zi与输入电阻Ri大小有关(输入阻抗Zi等于输人电阻Ri)

例如,输入阻抗要求100kΩ;增益要求300,则若采用反相放大器时,Ri=100kΩ,Rf=30MΩ.这样大的反馈阻值对通用运放很难正常工作了,在这种情况时,采用同相放大器更合适。   另外,还要看信号源的内阻大小。某些传感器的内阻较大,若采用输入阻抗较小的放大电路,会影响测量精度、在这种情况时采用同相放大器更为合适。    这里介绍一种既采用反相放大器,而且也不采用阻值大的反馈电阻的电路,如图1所示这电路中的反馈电阻Rf不直接接在输出端,而按在由R1、R2组成分压器的中点A。现对此电路进行一些分析。此电路要求输入阻抗为100KΩ,增益为-500。按一般反相放大器设计,Ri=100 KΩ,Rf=50MΩ。   A点的分压比为R1/(R1+R2)=1/500,且有R1《Rf。根据“虚短”及“虚断”原则,可以列出下式:Ii=Vi/100KΩ=If,IfRf=-VA,

代入可得VA=-Vi。

由A点可列出节点电流方程: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,即满足Vo/Vi=-500的要求.   在计算中略去If会造成一些误差,但因Rf>>R1,在本例中If仅为Ii的千分之一,故这种误差是不大的。  

若需要采用同相放大器,使输入与输出同相,可采用图2的电路。读者可以自行推导一下其增益是多少。

二、Ri、Rf的选取从反相放大器及同相放大器的增益公式可知,其增益取决于Rf与Ri的比值。并且通过实验,在一定范围内,Ri、Rf变化,只要它们之间的比值不变,增益也不变,在具体设计中电阻阻值如伺选择呢?以前的实验中,并没有加负载,而实际的放大电路是有负载电阻RL的;如图3所示. 
1、电阻取值太小   设计一个反相放大器,若增益为-100,能否取Ri=10Ω,Rf=100Ω,Rf=lkΩ呢?这比值是对的,但实际是不行的.这可以从两方面来分析:(1)运放输出的电流是流向负载电阻及Rf的,可以看作RL与Rf并联。所以当Rf取得很小时(如10—100Ω),则流过Rf的电流就大,运放有限的输出电流能力就不能充分利用,甚至使放大器很快饱和,放大器的输出电压范围变得很小,即线性范围很窄.例如,若Rf为500Ω,当输出电压为10V时,将要20mA流入Rf(若Rf取100Ω,则要100mA),而一般运放输出电流仅土10-20mA.另外,Rf过小,使管耗过大,发热严重,可能要烧坏器件.   (2)反相放大器的输入阻抗等于Ri,所以Ri取得很小时,其输入阻抗就很小。当信号源内阻较大时,信号就输不出来。    
2、电阻取值太大Ri及Rf取得过大时可能会带来较大的电流漂移干扰.如Rf取10MΩ,则100nA的工作偏流IiB在Rf上将形成1V压降影响输出,IiB若稍有变化,则会造成输出信号的严重漂移,且会形成对外部干扰很敏感的电路。若用手指触摸10MΩ电阻,则输出是混有噪声的削顶波形。另外,由于存在分布电容的因素,当工作频率较高时,频率特性将变坏。    一般电阻在1kΩ-lMΩ之间选取,而在10~100KΩ之间选取是较常见的。    其次的问题是如何选择电阻的精度等级.在对放大倍数要求不严的应用场合,如音响电路的前置放大电路,采用5%精度的电阻即可。对精度要求高的放大器可采用1%或0.5%的高精度电阻。一般都采用金属膜电阻。    在业余条件下,可以采用数字式万用表欧姆档来选配电阻,住住可获得较好效果。    这里要指出的是,电阻的阻值也是会随温度变化而变化的,则它会影响放大器的温漂,所以在精度要求较高的放大器中,应选用温度系数较小的电阻,一般高精度电阻其温度系数在lOOppm/。C以下(ppm表示百分之一)。     最后提一下电阻的功率.由于流过Ri、Rf、Rp电阻的电流都很小,一般可选用1/8W-l/16W的金属膜电阻,若现有1/4W的也可用。     
3、能否用半可调电阻代替Ri,Rf ?    由于电阻的阻值有一定的误差,能设定的增益与实际增益有一定的差别,而精密电阻价格较贵,并且尺寸较大,能否采用半可调电阻来代替Ri及Rf,通过调整来满足增益的要求,如图4(a)、(b)、(c)所示:    从原理上来看,三种方案都可以的,但实际上有一些问题。首先是半可调电阻的接触不太可靠,在振动或撞击时可能会改变其阻值,一般的半可调电阻的电阻层是碳膜的,它的温度系数较大,与其他电阻温度系数数不匹配,容易产生温漂,因此不适合精度高的放大器,从图4(a)与4(b)比较,采用(b)方案较好,Rf的变化对Rp的影响较小。方案(c)虽然增益调整范围极大,但实际调节范围不应过大。在增益调节中采用精密多圈电位器较好,它的特点是:调节方便、精确、温度系数较小。
三、缓冲器的应用图5(a)是大家熟悉的同相放大器电路。如果电路中Ri=∞,Rf=0,则电路变成图5(b)的样子,它就是缓冲器电路。    由同相放大器增益公式1+Rf/Ri可知,若Rf=0,Ri=∞,则其增益为1。同样,用“虚短’的原则来分析:反相输入端的电压等于同相端的电压,而反相端已与输出端直接连接在一起,即V0=Vi.这样增益为1的电路虽然十分简单,什么外围元件都没有,有什么用处呢?先按图6来做一个实验。这里采用的是土9V电源,采用数字表测量,从实验结果可以看出:在空载时(即不接0.5k负载电阻时),在-7.06V~+8.93V范围内输入电压等于输出电压,且是同相的,电压跟随范围相当大。当负载电流小时,有负载及无负载没有差别。但负载电流大时,如大于14mA时,输出电压要比输入电压小,即放大器提前饱和。对于输出载电流大与输出电压的关系,有兴趣的读者,用可图7所示的电路进行测量实验。缓冲器的特点是输入阻抗极高、输出阻抗极低、能输出较大电流。因此它可用作缓冲隔离级“插入”电路中,如某些振荡器电路若直接接负载会影响振荡器输出特性甚至或停振,而在振荡器与负载之间插入缓冲器,则可稳定地工作。又例如一些内阻高的传感器,如压电式传感器,其输出信号非常弱,而且内阻极高。若采用一般放大器与传感器直接连接会产生较大的测量误差。这时传感器与放大器间插入一个缓冲器,以起到阻抗变换的作用。    

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