关于运放的基础细节探索

babyboy0 · 发表于2009-11-27 02:17

关于运放的基础细节探索 [复制链接]

本人新手，如有不对请老师们赐教。
前两天发了个帖子，原以为讨论USB接口，没想到最终是回到如何使用运放的问题上，特别是得到了xiaoxif老师的指点。现将自己的模糊点说出来，请大家批判指正：
问题：运放放大的是什么电压？
以下是我的理解：
我使用的是LF347，这是一个双电源供电运放。其实按照xiaoxif老师的电路图(图中是功放采用单电源)，如下

这其实是将运放构成了一个差动放大电路，其放大的是电阻R2两端的电压差。如果R1改变，从而造成R2两端的电压差改变，我想运放的输出电压(图中A点电压)也应该会改变的。但不管改变多少，只要运放的反馈电阻不变，其始终是将R2两端的电压差放大一定的倍数(图中是10倍)，还有就是R1的改变范围可能有一定的限制，即，使运放工作在其线性工作范围内（可是又如何判断其线性工作范围呢？难道要把一个一个的阻值都仿真试试吗？）
疑问点：运放的反馈电阻和其负载阻抗有没有一定的限制范围，如果有，如何计算？上图左边是直流仿真，右边是交流仿真，请问这两个仿真的反馈电阻不改变，那么其直流增益和交流增益是不是也相等呢？

希望各位老师多多指教！

[ 本帖最后由 babyboy0 于 2009-11-27 09:53 编辑 ]

辛昕 · 发表于2009-11-27 09:16

额，这个电路，不知你是拿来做什么的？是基本的运算么？
我看了觉得有一种说不出的怪。
但是，至少要说的是，这不是双电源供电，这是单电源供电。
还有，以个人之见，如果这个电路是基本的运放放大电路的话，那么它的电阻阻值匹配是不合适的，你说放大的是R2两端的电压，这话有点奇怪，不知你指的是什么，因为R1.,R2在这里的作用，应该是和类似于三极管里的偏置电阻，是用来设置静态点（不管电路是什么用的，你用一个单5V供电，这两个电阻应该是给正相输入端提供一个直流点，总该是没错的吧。）
希望你实际试试。如果我会错意了，欢迎拍砖

辛昕 · 发表于2009-11-27 09:26

原帖由 babyboy0 于 2009-11-27 02:17 发表
本人新手，如有不对请老师们赐教。
前两天发了个帖子，原以为讨论USB接口，没想到最终是回到如何使用运放的问题上，特别是得到了xiaoxif老师的指点。现将自己的模糊点说出来，请大家批判指正：
问题：运放放大的是 ...

另外你说的反馈电阻和放大电阻的阻值范围是不是有一定的范围，这是有的，至于能不能算出来我就不知道了。

   一般来说，晶体管输入级的运放的反馈电阻和放大电阻一般选择在100K以下，其中的原因，我没找到有介绍的，自己的估计是：
   这是因为输入级本来有一个偏置电流，对于晶体管输入级的运放而言，这个偏置电流在5——500nA之间，如果取10nA的话，那么，一般运放的供电电压在15V，不妨取10V，和三极管的偏置电阻设置的原则一样，至少取在10倍以上（才不会造成干扰，造成工作不稳）。如此一来，反馈电阻上的电流最小就不该小于100nA，也就是0.1mA,10V除以0.1mA，也就是100M——这里我也很奇怪，为什么会算到这么大的数值，但也可能是取的数值太大，比如偏置电流可能估计得过小，如果取大不取小，那就至少考虑到1mA,如此一来，就是10V除以10mA,而且这就是1M欧姆了——

   简而言之，我觉得，这里反馈电阻和放大电阻的设置应该是以不和偏置电流产生干扰为原则出发的——就像三极管偏置电路一样，是为了稳定静态点。
当然了，可能还有别的其他原因——凡事不可能是单一原因，但是我所能想到的就那么多，我和LZ一样，等待高人的回答。

simonprince · 发表于2009-11-27 10:25

问题：运放放大的是 ... [/quote]

3端口的输入电压
一般来说，放大器对要放大的信号有要求的，需要查查PDF，不是说任何大小的电压都能放大你指定的倍数
你可以自己仿真试一下，变换里面的参数能发现解决许多有疑问的地方

babyboy0 · 发表于2009-11-27 10:26

原帖由辛昕于 2009-11-27 09:16 发表
额，这个电路，不知你是拿来做什么的？是基本的运算么？
我看了觉得有一种说不出的怪。
但是，至少要说的是，这不是双电源供电，这是单电源供电。
还有，以个人之见，如果这个电路是基本的运放放大电路的话，那么 ...

你好，这个电路只是我的一个验证测试，目的是把串联电阻上的分压放大。
本来以为挺简单的一个电路谁知道一直没搞定，好像运放一直不能正确工作在稳定状态，我也实际搭了电路，结果也是放大倍数不稳定，不知道是什么原因。

babyboy0 · 发表于2009-11-27 10:35

原帖由 simonprince 于 2009-11-27 10:25 发表
问题：运放放大的是 ... [/quote]

3端口的输入电压
一般来说，放大器对要放大的信号有要求的，需要查查PDF，不是说任何大小的电压都能放大你指定的倍数
你可以自己仿真试一下，变换里面的参数能发现解决许多有疑 ...

手册已经看过，上面限定范围如下图

我的电路电压应该符合范围了

smartbear_06 · 发表于2009-11-27 11:13

直流电源5v 运放的输出的电压超过5v 就饱和了吧

辛昕 · 发表于2009-11-27 11:17

那也就是说就是个比例运算放大电路咯？
如果是这样的话，，有好几个电阻都是多余的，，，

辛昕 · 发表于2009-11-27 11:18

原帖由 babyboy0 于 2009-11-27 10:35 发表

3端口的输入电压
一般来说，放大器对要放大的信号有要求的，需要查查PDF，不是说任何大小的电压都能放大你指定的倍数
你可以自己仿真试一下，变换里面的参数能发现解决许多有疑 ... [/quote]
手册已经看过，上 ...

至于这个，只不过是要看你设置的放大倍数和输出最大电压范围而已，查PDF就似乎有点没必要了，，，，，
如果需要大点的输出范围，可以选用大点的电源电压，或者 RAIL-TO-RAIL运放

qushaobo · 发表于2009-11-27 13:08

又电源的芯片也可以单电源用.只要把输入偏到中心点,我就这样做过.当时还真因为输入没有偏到中心点出了点问题.用了一天加一个晚上才想到这事.唉,在设计前我可是想到了这个问题,可细节还是没注意啊.放大电路是老电路,值得学的是有一些,遇到实际认真分析就好了.
分析,体现了技术人员的价值.

xiaoxif · 发表于2009-11-27 16:25

谢谢你引用了我的一张有明确实验目的的仿真用图。
但你的理解远非原图本意，而正好是原帖所指出的那个概念性误区。注意以下两点“放大”提法是错误的，原附件那个10倍更与你这里说的这个电压差放大无关：

楼主原文：

1、这其实是将运放构成了一个差动放大电路，其放大的是电阻R2两端的电压差。
2、只要运放的反馈电阻不变，其始终是将R2两端的电压差放大一定的倍数(图中是10倍)。

强调一下，10倍放大量的放大器中，被放大的对象是R2上电压的变化（增量），而非R2上的电压本身。
另外，R2的电压差是否表述为R2上的电位差或R2上的电压更为准确？

上面说的“原帖”的位置：
https://bbs.eeworld.com.cn/thread-90432-2-1.html

[ 本帖最后由 xiaoxif 于 2009-11-27 16:42 编辑 ]

babyboy0 · 发表于2009-11-28 01:26

原帖由 xiaoxif 于 2009-11-27 16:25 发表
谢谢你引用了我的一张有明确实验目的的仿真用图。
但你的理解远非原图本意，而正好是原帖所指出的那个概念性误区。注意以下两点“放大”提法是错误的，原附件那个10倍更与你这里说的这个电压差放大无关：

...

感谢xiaoxif老师的解答。我这里有张图：

我知道你的意思是说：运放的“10倍放大”是指将上图R3上的“电压变化率”十倍的放大，而不是把R3上电压的值10倍放大，对吗？
按照这样的推论，假设：R3上的电压以线性递增，那么运放的输出电压增幅是其的10倍，或者可以说在平面内画条过原点的直线的话，运放输出电压的斜率是R3上电压斜率的10倍。这样理解应该是对的吧？
再进一步，假设，R3上的电压从0.01V(假设的电压)增大到0.05V，增大了0.04V，那么如果运放输出将增加0.04*10=0.4V,是这样的吗？

(我最早的理解是差动放大器会把R3上的电压放大10倍，即假如R3上电压为0.01V，则放大器输出为0.1V；R3上的电压增大到0.05V时运放输出会增大到0.5V。)

如果是这样的话，我还有三个问题：1.如果所有电压大小都以GND为参考的话，“相对于GND的变化率”其实也就等于其电压值了，那么这个运放也就把R3上电压的值放大了10倍，对吧。
2.关于运放的反馈电阻有没有一定的要求呢？比如说我要做一个增益为10倍的运放，这样的反馈电阻和输入电阻组合可以有很多种，这种问题运放手册上并没有说明，应该怎样选择最合适的呢？
3.另外运放的输入电阻(即使很大)也会对原来的电路造成影响的吧。比如说上图的电路，未加运放前，R3上的电压为1V，加了运放之后，电压就发生变化了。如下图

如何才能避免运放的增加对原电路造成的影响呢？

请多多指教

[ 本帖最后由 babyboy0 于 2009-11-28 01:29 编辑 ]

xiaoxif · 发表于2009-11-28 23:02

仍如此前回复，希望你再看一下书，可能讨论会顺利的多，现在的讨论不是这个电路，而是其后面的基础，再次希望你暂时撇开它，看点书，答案会有的。

你画的电路有些离谱了，这是凭想象画的图，而不是技术思维的图，下面的讨论还是用原来的图。

对你提出问题的讨论，为了解释你的问题，也不得不在这里罗嗦一些很基础的东西（这些东西你肯定了解，估计你钻进了牛角尖）：

1、运放的“10倍放大”是指将上图R3上的“电压变化率”十倍的放大，而不是把R3上电压的值10倍放大，对吗？
是这样，但是这里不是变化率而是变化，加上率添足了。

2、假设：R3上的电压以线性递增，那么运放的输出电压增幅是其的10倍，或者可以说在平面内画条过原点的直线的话，运放输出电压的斜率是R3上电压斜率的10倍。这样理解应该是对的吧？
不准确。（数学）所谓斜率是增量比值，是相对的，你说的斜率的那个分母是什么？
放大器的输入和输出间的关系通常可以用曲线（函数关系）表示，见图1，习惯上X轴为输入，Y表示输出，这条曲线的斜率，就是电压放大量。

3、再进一步，假设，R3上的电压从0.01V(假设的电压)增大到0.05V，增大了0.04V，那么如果运放输出将增加0.04*10=0.4V,是这样的吗？(我最早的理解是差动放大器会把R3上的电压放大10倍，即假如R3上电压为0.01V，则放大器输出为0.1V；R3上的电压增大到0.05V时运放输出会增大到0.5V。)

理解是对的，但是具体到这个电路，就不对了，因为这里有一个工作点的问题，从图1中你可以看到，输入的不同取值范围，K是不一样的。

4、如果是这样的话，我还有三个问题：

4-1.如果所有电压大小都以GND为参考的话，“相对于GND的变化率”其实也就等于其电压值了，那么这个运放也就把R3上电压的值放大了10倍，对吧。

叙述的不准确，本来所有点的电压就都是以GND为基准的，即对GND的电位差。
应当这样叙述，如果满足以下条件：Ui和Uo的曲线通过坐标原点（图2），而且电路工作在对应的工作区，那么就……10倍……，就是你的期望。可以这样设想，但需要做满足这个要求的设计确实要花费些功夫的。
图2中：A是你的希望，B、C就不成了，D和E，也不行，对吧？

4. 2.关于运放的反馈电阻有没有一定的要求呢？比如说我要做一个增益为10倍的运放，这样的反馈电阻和输入电阻组合可以有很多种，这种问题运放手册上并没有说明，应该怎样选择最合适的呢？
这个具体的选值问题，仅从反馈量--放大量计算关系看，是比较随意的，但是具体设计中还有很多重要的因素，例如，在有频响要求时候的RC数值的搭配要求，加法器的与各路（信源）间的协调要求，工作稳定性要求，甚至在当前微功耗时代的功率需求等等。

4.3. 另外运放的输入电阻(即使很大)也会对原来的电路造成影响的吧。比如说上图的电路，未加运放前，R3上的电压为1V，加了运放之后。。。如何才能避免运放的增加对原电路造成的影响呢？
没有真正的无穷大输入阻抗，而且不同的工作点上，这个阻抗也是有差异的。这个影响是无法避免的，问题在于你的具体设计做合适的处理。

[ 本帖最后由 xiaoxif 于 2009-11-29 01:34 编辑 ]

babyboy0 · 发表于2009-11-28 23:50

呵呵，问题已经解决了，我用实际芯片操作了一下，现在符合计算预期了。我换了一个芯片，把LF347换成LF324了，因为我手头上的电源只有V+和GND两极。而没有V-，这样只能用单电源供电运放，而之前我用LF347这个双电源供电运放必须要有正负两个电源对其供电，好像才能正常工作。一换成LF324这个单电源供电运放后，各项数值就符合预期结果了。而且把放大电路从原来的差动放大电路换为正相放大电路。

我分析1.可能是我买的电阻不是很精确，我量了，同样型号的电阻其阻值会差别一些。如果用差动放大电路放大的话，可能对两个输入端电阻要求比较高（一定要相等），差别大的话就有误差了。
2.功放必须按照其手册要求的供电。LF347是双电源供电功放，我原以为可以试试用一个+10V和GND对其供电可行，运放把它自动识别成+5V和-5v，其实还是不行的。

在图书馆找了一本高教出版社的模拟电路教材，正在研究中

xiaoxif · 发表于2009-11-29 00:23

你在14楼的“呵呵”后的具体叙述，表明你远远没有解决你真正的问题。衡量是否真正解决了问题，就要看要你能否能准确解释在12楼和以前，以及在USB帖子上你提出的很多问题。不要浪费了大家为你的付出。既然称“老师”了，上面的话就是不去“师之惰”，
---the end---

[ 本帖最后由 xiaoxif 于 2009-11-29 00:28 编辑 ]

辛昕 · 发表于2009-11-29 01:39

:L 原来自己从来没好好看XIAOXIF的原图和揣摩你的意图，汗，，，找个时间好好看，LZ，抱歉了，XIAOXIF，对你，我只有惭愧了。

liuwz2004

XIAOXIF的讲解专业、详细、孜孜不倦。从中学到不少东西。
谢谢....

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这是单电源供电

运放LF347的datasheet已经看了

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无语了,电源之是电压

关于图的说明

谢谢xiaoxif老师，这里还有几点疑问

继续讨论一些问题

谢谢xiaoxif老师耐心细致的指导

再复楼主（14楼的话）

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