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使用運算放大器時需要注意的幾個問題

發布時間:2011-1-24 10:31    發布者:李寬
關鍵詞: 運放 , 運算放大器
作者:ZHOUNACHU

放大器最初誕生時是用來作為各種模擬信號的運算,這個名字后來一直沿用至今,但是現在已經不僅僅是所謂的“運算”了,如今它充當的角色更多的是“信號調理兼放大”。信號放大可以說是對模擬信號最基本的處理了,放大的本質是能量的控制和轉換,它在輸入信號的作用下,通過放大電路將直流電源的能量轉化成負載所獲得的能量,使得負載從電源獲得的能量大于信號源所提供的能量,這也就說明,負載上總是獲得比輸入信號大得多的電壓或者電流,有時這兩種情況都發生。

以下是我們在使用運算放大器時需要注意的幾個重要問題,我爭取用最簡單的原理圖以“看圖說話”的方式來說清楚我要表達的意思,以免給博友帶來不必要的視覺疲勞,哈哈。

(1)首先應該好好理解運放的最簡模型:

從運放的原理來說,我們可以將運放看成是一個壓控電壓源,其中,運放的輸出由受控電壓源提供,而受控電壓源的控制電壓就是輸入端的差分電壓,如下圖所示:



(2)運放輸出端的電流約束仍然遵循Kirchhoff電流定律:



這里不能認為流過反饋電阻Rf的電流和流過負載電阻RL的電流是相等的,因為電流i是“有機會”流入運放的輸出端的,這是由芯片內部的構造決定的,尤其是高精度應用時應該好好提防這一點。

(3)使用運放時需要注意由電阻自身雜散電容而產生的影響:



這個反向比例運算電路的增益函數如下:



這里,C1會使得頻率特性出現尖峰脈沖,而C2會使得高頻領域的增益下降,從而導致頻率特性惡化!對于一般的低頻應用而言,這個因素是可以“視而不見”的,但是如果需要低噪聲環境的話,就需要盡量減小Ri和Rf的阻值,因為這樣可以減小雜散電容的影響,或者干脆使用高精度的電阻也行,如果開發成本允許的話。

(4)對于反饋系數的量化問題不應該含糊:



從這兩個圖可以看出,雖然他們的增益絕對值是一樣的,都是1,說白了這兩個電路都可以看作是一個電壓跟隨器。顯然圖(b)的負反饋系數要大,性能應該會更好,但是它防止振蕩的能力卻不如圖(a)的電路,因為它對于信號的變化過于“敏感”。所以在實際設計電路時,對于反饋系數的量化問題是不能含糊的,它很大程度地決定了系統的“穩”、 “快”、“準”這三個方面。最終的電路設計應該是這三個方面的折中,以此達到傳說中的性能最優化。

(5)單電源供電時需注意輸出電壓擺幅的問題:



如上圖所示,由于是單電源供電,那么運放的兩個輸入端必須加有直流偏壓,而且為了使電路的輸出電壓的動態范圍最大化,一般要求VP=VN=VCC/2。此外,這里運放的輸入、輸出端的直流電位不為零,So,需要采用電容(C1、C2)來耦合信號。

(6)得注意運放的輸入寄生電容:



由于運放的內部結構因素,導致運放具有數pF~數十pF的輸入寄生電容,這自然使得運放的穩定性變差了,輸入寄生電容會和輸入電阻一起形成一個容易被人忽略的LPF,倘若輸入信號的頻率超過一定值,則就會丟失信息。這個頻率值函數為:



為了解決這個問題,一般采用如下電路所示的方法:



由于輸入寄生電容使得相位滯后,因此可以用超前相位的補償來防止振蕩,上圖中的CF有相位超前的作用,有效地解決了寄生電容所帶來的問題。通常CF取值要稍大于Ci。

(7)需要防止運放進入非線性區,除非該運放用于比較器電路:



這是一個很普通的積分電路。如果輸入信號的頻率過低的話,則沒有反饋回路了,即此時電路處于開環狀態,也就意味著運放的電壓增益非常大,輸出電壓將極易進入非線性區,就失去信號放大的意義了。為此,我們可以在電容兩端并聯一個電阻來加以限制運放的增益。如下圖,



(8)對于輸出電阻應該知道是怎么回事:



對于圖(a)來說,輸出電阻由R決定,而對于圖(b)來說,由于R放在反饋電路內部,所以它的輸出阻抗非常低,驅動能力比圖(a)所示電路顯然要好。

以上只是運算放大器的使用注意事項中的幾個點,更多的得需要我們在實踐中不斷總結,不斷積累,以及借鑒前人的經驗,只有這樣,我們才能更好地認識和運用運算放大器,才有可能把前端信號調理地更好。
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