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[资料分享] 运放高级用法-让运放对地输出

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一粒金砂(高级)

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发表于 2017-11-14 23:19:37 | 显示全部楼层 |阅读模式

运算放大器是模拟电路的核心,要掌握好模拟电路并熟练运用到设计中,掌握好运算放大器的使用是必须的,同时对运放的各参数的把握也是很重要的。

总体来说,运放在分析中记住两个特性,一个是虚短,一个是虚断,这两个概念是构成各种应用电路最核心的前提。虚短,是指运放两个输入端之间的电压近似短路,电压相等。虚断,是指运放两个输入端之间的电流通道是断开的,输入端之间没有电流流过。有了这两个概念,就可以分析所有形式的运放电路。但值得注意的是,这两个概念成立的条件是运放需要构成合理的负反馈,否则不成立。

这里不多提运放的基本知识。我在一次偶然的设计中,遇到电源电压不够的问题,当时运放的电源电压是正负15V,而我需要输出0-25V的电压,若用一般的运放负反馈来做,则至多输出0-15V范围,但我想到对于-15V电压,不就可以输出0-30V电压了?

思路有了,便立即行动起来,继续思考,其实问题的关键不在于运放能否输出多少电压范围,而在于-15V的供电电压本身也是有抖动的,不够稳定,因为-15V电源电压并不是严格的-15V,所以问题出现了,我不能够直接将运放输出的0-15V电压叠加到-15V上,而必须将-15V电压也引入到负反馈回路中去,于是一个思路形成,问题的重点在于如何构建合理的负反馈回路。

最后形成如下所示的电路:

360截图20171114231715232.jpg

上图中,U5为主运放,由U6和U7一起构成负反馈形成回路,最后由U5对-VCC输出。R10为匹配电阻,整分分析过程中可以将其忽略。

U7构成1:1的反相放大器,对于U7,其输出:

360截图20171114231746885.jpg

式中,由图中参数R36=R33=100K,R31=190K,R32=10K得:U7out=-Uout/20。

U6构成1:1的反相加法器,由R34=R37可以得到到U6反相输入端的应是两个电压之和:

360截图20171114231841672.jpg

将负电压取反即得:

360截图20171114231921872.jpg

按图中参数,R35=R34=R37=100K,R38=10K,R39=190K,则有U6out=-U7out+Vcc/20。即:U6out=Vcc/20-(-Uout/20)=(Vcc+Uout)/20。

最后,由运放U6引入到主运放反相端形成反馈,由运放虚短:

Uin=U6out=(Vcc+Uout)/20

整理后:Uout=20*Uin-Vcc

由于是对-Vcc输出,所以:URL=Uout-(-Vcc)=20Uin。从而可以得到更大范围的输出,此时Uin必须>0,因为输出已不可能为负,整个电路的输出范围由以前的-VCC到+VCC变成0到2倍VCC,并且整个过程均有负反馈稳定输出。

上面的设计最终满足了要求,其关键在于将-VCC也引入到反馈回路中,使得输出是对-VCC而言,而并非是对GND而言,于是增大了输出范围。上面的设计中,应该注意的是构成运放比例运算的电阻取值,应该适当偏大点,否则可能会引起更大的失调,而导致放大比例不准确,参数不对称等问题。




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