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[分享] 运放8坑

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管理员

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发表于 2018-8-30 00:13:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言
算放大器最初诞生时是用来作为各种模拟信号的运算,这个名字后来一直沿用至今,但是现在已经不仅仅是所谓的“运算”了,如今它充当的角色更多的是“信号调理兼放大”。信号放大可以说是对模拟信号最基本的处理了,放大的本质是能量的控制和转换,它在输入信号的作用下,通过放大电路将直流电源的能量转化成负载所获得的能量,使得负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量,这也就说明,负载上总是获得比输入信号大得多的电压或者电流,有时这两种情况都发生。
以下是我们在使用运算放大器时需要注意的几个重要问题,我争取用最简单的原理图以“看图说话”的方式来说清楚我要表达的意思,以免给工程师朋友带来不必要的视觉疲劳。

1、首先应该好好理解运放的最简模型
从运放的原理来说,我们可以将运放看成是一个压控电压源,其中,运放的输出由受控电压源提供,而受控电压源的控制电压就是输入端的差分电压,如下图所示:
1.png
2、运放输出端的电流约束仍然遵循Kirchhoff电流定律
2.png
这里不能认为流过反馈电阻Rf的电流和流过负载电阻RL的电流是相等的,因为电流i是“有机会”流入运放的输出端的,这是由芯片内部的构造决定的,尤其是高精度应用时应该好好提防这一点。
3、使用运放时需要注意由电阻自身杂散电容而产生的影响
3.png
这个反向比例运算电路的增益函数如下:
4.png
这里,C1会使得频率特性出现尖峰脉冲,而C2会使得高频领域的增益下降,从而导致频率特性恶化!对于一般的低频应用而言,这个因素是可以“视而不见”的,但是如果需要低噪声环境的话,就需要尽量减小Ri和Rf的阻值,因为这样可以减小杂散电容的影响,或者干脆使用高精度的电阻也行,如果开发成本允许的话。
4、对于反馈系数的量化问题不应该含糊
5.png
从这两个图可以看出,虽然他们的增益绝对值是一样的,都是1,说白了这两个电路都可以看作是一个电压跟随器。显然图(b)的负反馈系数要大,性能应该会更好,但是它防止振荡的能力却不如图(a)的电路,因为它对于信号的变化过于“敏感”。所以在实际设计电路时,对于反馈系数的量化问题是不能含糊的,它很大程度地决定了系统的“稳”、“快”、“准”这三个方面。最终的电路设计应该是这三个方面的折中,以此达到传说中的性能最优化。
5、单电源供电时需注意输出电压摆幅的问题
6.png
如上图所示,由于是单电源供电,那么运放的两个输入端必须加有直流偏压,而且为了使电路的输出电压的动态范围最大化,一般要求VP=VN=VCC/2。此外,这里运放的输入、输出端的直流电位不为零,So,需要采用电容(C1、C2)来耦合信号。
6、得注意运放的输入寄生电容
7.png
由于运放的内部结构因素,导致运放具有数pF~数十pF的输入寄生电容,这自然使得运放的稳定性变差了,输入寄生电容会和输入电阻一起形成一个容易被人忽略的LPF,倘若输入信号的频率超过一定值,则就会丢失信息。这个频率值函数为:
8.png
为了解决这个问题,一般采用如下电路所示的方法:
9.png
由于输入寄生电容使得相位滞后,因此可以用超前相位的补偿来防止振荡,上图中的CF有相位超前的作用,有效地解决了寄生电容所带来的问题。通常CF取值要稍大于Ci。
7、需要防止运放进入非线性区,除非该运放用于比较器电路
10.png
这是一个很普通的积分电路。如果输入信号的频率过低的话,则没有反馈回路了,即此时电路处于开环状态,也就意味着运放的电压增益非常大,输出电压将极易进入非线性区,就失去信号放大的意义了。为此,我们可以在电容两端并联一个电阻来加以限制运放的增益。如下图

11.png
8、对于输出电阻应该知道是怎么回事
12.png
对于图(a)来说,输出电阻由R决定,而对于图(b)来说,由于R放在反馈电路内部,所以它的输出阻抗非常低,驱动能力比图(a)所示电路显然要好。
以上只是运算放大器的使用注意事项中的几个点,更多的得需要我们在实践中不断总结,不断积累,以及借鉴前人的经验,只有这样,我们才能更好地认识和运用运算放大器,才有可能把前端信号调理地更好。
本文转自网络,版权归原作者,如果您觉得不好,请联系我们删除!

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一粒金砂(中级)

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发表于 2018-8-30 08:09:36 | 显示全部楼层
感谢分享。
“5、单电源供电时需注意输出电压摆幅的问题

如上图所示,由于是单电源供电,那么运放的两个输入端必须加有直流偏压,而且为了使电路的输出电压的动态范围最大化,一般要求VP=VN=VCC/2。此外,这里运放的输入、输出端的直流电位不为零,So,需要采用电容(C1、C2)来耦合信号。”
上边这个输出端的直流电位不为零,需要采用电容来耦合。您能否给我稍微多说几句,为什么直流电位不为零就采用电容耦合呢,平时常用,但是理论方面其实并不太清楚。谢谢您了。

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隔直电容。  详情 回复 发表于 2018-8-30 13:53
“5、单电源供电时需注意输出电压摆幅的问题”图中不一定需要C1C2两个电容,是否需要,那要看输入信号的性质以及该电路对输出信号(也就是后级的输入信号)有何要求。 如果输入信号是纯交流(不含直流成份),那么电容C  详情 回复 发表于 2018-8-30 09:35


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maychang

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发表于 2018-8-30 09:35:19 | 显示全部楼层
zhaoyanhao 发表于 2018-8-30 08:09
感谢分享。
“5、单电源供电时需注意输出电压摆幅的问题

如上图所示,由于是单电源供电,那么运放的两 ...

“5、单电源供电时需注意输出电压摆幅的问题”图中不一定需要C1C2两个电容,是否需要,那要看输入信号的性质以及该电路对输出信号(也就是后级的输入信号)有何要求。
如果输入信号是纯交流(不含直流成份),那么电容C1是必须的。否则Uin从直流上看被短路到地。如果后级要求输入信号没有直流成份,那么电容C2是必须的。特殊情况下,例如前级输出就是带有Vcc/2直流成份的信号,那么电容C1可以不用(短路掉)。如果后级要求输入信号带有Vcc/2直流成份,那么电容C2也应该短路掉。

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谢谢您的解答,可是“否则Uin从直流上看被短路到地”这句话不是很理解。是这个图上的Uin么  详情 回复 发表于 2018-8-30 13:23


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纯净的硅(初级)

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发表于 2018-8-30 10:36:07 | 显示全部楼层
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徐建
20091127


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一粒金砂(初级)

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发表于 2018-8-30 11:41:18 | 显示全部楼层
感谢分享~


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一粒金砂(中级)

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发表于 2018-8-30 13:23:47 | 显示全部楼层
maychang 发表于 2018-8-30 09:35
“5、单电源供电时需注意输出电压摆幅的问题”图中不一定需要C1C2两个电容,是否需要,那要看输入信号的 ...

谢谢您的解答,可是“否则Uin从直流上看被短路到地”这句话不是很理解。是这个图上的Uin么
6.png

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当然,说“R1中将存在直流电流,方向向左,大小为Vcc/2R1。这直流电流和Uin短路到地完全相同”是有条件的,条件就是运放仍处于线性工作状态而没有到达饱和状态,从而“虚短”仍成立,否则运放两输入端电位可能不等。  详情 回复 发表于 2018-8-30 13:37
从另一个角度看,该图中R1右端电位为1/2Vcc,如果C1被短路掉,那么R1中将存在直流电流,方向向左,大小为Vcc/2R1。这直流电流和Uin短路到地完全相同。  详情 回复 发表于 2018-8-30 13:33
‘可是“否则Uin从直流上看被短路到地”这句话不是很理解’ Uin处信号源,产生的信号如果不含直流成份(没有偏置),那么Uin对地的电压直流成份为零,而且信号源是允许流过电流的,所以说如果没有C1(短路掉C1)时“U  详情 回复 发表于 2018-8-30 13:30
“是这个图上的Uin么” 是此图中Uin这一点。 Uin这一点,本来应该接入信号源,信号源一端接地,另一端接Uin这一点。  详情 回复 发表于 2018-8-30 13:26


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maychang

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发表于 2018-8-30 13:26:09 | 显示全部楼层
zhaoyanhao 发表于 2018-8-30 13:23
谢谢您的解答,可是“否则Uin从直流上看被短路到地”这句话不是很理解。是这个图上的Uin么

“是这个图上的Uin么”
是此图中Uin这一点。

Uin这一点,本来应该接入信号源,信号源一端接地,另一端接Uin这一点。


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maychang

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发表于 2018-8-30 13:30:11 | 显示全部楼层
zhaoyanhao 发表于 2018-8-30 13:23
谢谢您的解答,可是“否则Uin从直流上看被短路到地”这句话不是很理解。是这个图上的Uin么

‘可是“否则Uin从直流上看被短路到地”这句话不是很理解’

Uin处信号源,产生的信号如果不含直流成份(没有偏置),那么Uin对地的电压直流成份为零,而且信号源是允许流过电流的,所以说如果没有C1(短路掉C1)时“Uin从直流上看被短路到地”。


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maychang

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发表于 2018-8-30 13:33:17 | 显示全部楼层
zhaoyanhao 发表于 2018-8-30 13:23
谢谢您的解答,可是“否则Uin从直流上看被短路到地”这句话不是很理解。是这个图上的Uin么

从另一个角度看,该图中R1右端电位为1/2Vcc,如果C1被短路掉,那么R1中将存在直流电流,方向向左,大小为Vcc/2R1。这直流电流和Uin短路到地完全相同。


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maychang

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发表于 2018-8-30 13:37:04 | 显示全部楼层
zhaoyanhao 发表于 2018-8-30 13:23
谢谢您的解答,可是“否则Uin从直流上看被短路到地”这句话不是很理解。是这个图上的Uin么

当然,说“R1中将存在直流电流,方向向左,大小为Vcc/2R1。这直流电流和Uin短路到地完全相同”是有条件的,条件就是运放仍处于线性工作状态而没有到达饱和状态,从而“虚短”仍成立,否则运放两输入端电位可能不等。

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醍醐灌顶,感谢maychan前辈的指教。  详情 回复 发表于 2018-8-30 15:17


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一粒金砂(高级)

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发表于 2018-8-30 13:40:02 | 显示全部楼层
“运放会在力所能及的范围内改变其输出电压,以使它的两个输入端保持电压相等”,谨记这句话去分析运放,就会发现不一样的世界


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一粒金砂(中级)

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发表于 2018-8-30 13:53:37 | 显示全部楼层
zhaoyanhao 发表于 2018-8-30 08:09
感谢分享。
“5、单电源供电时需注意输出电压摆幅的问题

如上图所示,由于是单电源供电,那么运放的两 ...

隔直电容。


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一粒金砂(高级)

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发表于 2018-8-30 15:07:16 | 显示全部楼层
我觉得第五个是还是有需要拎出来讲一下的。
“由于是单电源供电,那么运放的两个输入端必须加有直流偏压,而且为了使电路的输出电压的动态范围最大化,一般要求VP=VN=VCC/2。此外,这里运放的输入、输出端的直流电位不为零,So,需要采用电容(C1、C2)来耦合信号。”
0、电路分析必须“有一利必有一弊”。
1、该电路的目的是用来解决参考电压的直流增益带来的问题。
2、该方法只对交流信号适用。如果需要同时放大直流信号,还需要加别的。
3、输入的电容和电阻构成了一个高通滤波器,要保证这一高通滤波器对放大信号不产生影响。
4、输出电容和下一级电路的输入阻抗也会构成一个高通滤波器。


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一粒金砂(中级)

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发表于 2018-8-30 15:17:05 | 显示全部楼层
maychang 发表于 2018-8-30 13:37
当然,说“R1中将存在直流电流,方向向左,大小为Vcc/2R1。这直流电流和Uin短路到地完全相同”是有条件的 ...

醍醐灌顶,感谢maychan前辈的指教。


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版主

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发表于 2018-8-30 15:40:31 | 显示全部楼层
感谢分享,最近正好用到运放,还把珍藏已久的《OP放大电路设计》搬了出来
专注智能产品的研究与开发,专注于电子电路的生产与制造……QQ:2912615383,电子爱好者群: 422240210


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裸片初长成(初级)

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发表于 2018-8-30 17:29:57 | 显示全部楼层
感谢分享
请修改签名 ^_^


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一粒金砂(初级)

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发表于 2018-9-7 09:24:11 | 显示全部楼层
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一粒金砂(中级)

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发表于 3 天前 | 显示全部楼层
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