一、技术理论
1、运放符号
1、同相输入端 3、反向输入端
5、电源正端 2、电源负端
4、输出端
运算放大器具有两个输入端和一个输出端,如图所示,其中标有“+”号的输入端为“同相输入端”而不能叫做正端),另一只标有“一”号的输入端为“反相输入端”同样也不能叫做负端。
2、运放供电
所有运放都可以单电源供电,如下:
如上,该型号运放,查看数据手册,最大电源宽度5.5V,即电源输入正端与输出负端间电压,不能超过5.5V,此时用一个+5V电源供电满足要求。
所有运放都可以双电源供电,如下:
如上,同型号运放,最大电源宽度5.5V,即电源输入正端与输出负端间电压,不能超过5V,此时用+3.3V电源与-1.8V,共计两个电压供电,正负两端压降U+减去U-=5.5-(-1.8)=5.1V满足要求。
记住一点:所有运放都可以单电源供电,所有运放都可以双电源供电,没有例外。
有些人可能会问,单电源就能工作,整双电源不纯找给自己找麻烦吗,但记住:存在即合理,双电源供电既然存在,自然是存在一些优点,是单电源供电无法比拟的。
单电源供电缺点:
1、输出小信号时,误差较大,输出电压越小,误差越大。
2、能处理的频率较低,只能用于100Khz频率以下。
总结一下:输入信号很小时,会导致信号放大不准确,误差极大,微弱信号检测时,最好方法是双电源供电。
3、运放参数
1、供电电压(最大电源宽度/Vdd-Vss/供电正负端压差)(power supply):
任何运放都可以单电源供电,也可以双电源供电,经典运放一般采用正负电源对称的双电源供电,当然,不对成的正负电源也是可以用的,并且也比较常见。一定要清楚运放的供电电压以防损坏运放。
如下图某型号数据手册中,最大电源宽度为40V,所以单电源供电极限值40V,双电源供电时,施加在正端20V,施加在负端-20V,两端压差也是达到40V。
2、增益带宽积(GBW/GBP):
增益带宽积是带宽和增益乘积之间的关系,在放大小信号时候要求:
增益带宽积>输入信号频率f与放大倍速增益的乘积
GBW>f*gain
而实际使用中,一定要考虑裕量,对自己的信号频率和增益乘积进行放大(10~100)倍来看待,所以最终
GBW>(10~100)f*gain
举例:如果要讲1Khz的信号放大6倍,则对运放选型时,增益带宽积要满足:
>(10~100)*1Khz*6倍=(10~100)6Khz
即选型时,增益带宽积要大于60Khz~600Khz。
如下图,某型号运放增益带宽积1.2M,远大于600K,该参数就满足要求。
3、压摆率(SR):
就是电压转换速率(Slew Rate),简称压摆率。其定义是在1微秒时间里电压升高的幅度,就是方波来测量时就是电压由波谷升到波峰所需时间,单位通常有V/s,V/ms和V/μs三种。
理想运放具有无限的压摆率,意味着它可以在输入变化时,立刻改变其输出。
在电路设计中,可用以下公式计算出所需运算放大器的压摆率的最小值:
SR>2 *π * f *Vpp
f = 最高信号频率 (Hz)
Vpp = 信号的峰峰值电压 (V)
VPP(Voltage Peak-Peak):峰峰值电压,描述了信号值的变化范围的大小。峰值是以0刻度为基准的最大值,有正有负。而峰峰值是最大值和最小值的差值,只有正的。
举个例子,放大峰峰值为5V、最高频率25kHz的的正弦波信号, 跟据以上公式运算, 至少需要压摆率0.785V/μs的运算放大器。
SR>2 *π * f *Vpp=2*3.14*25000*5=785000V/s=785V/ms=0.785V/us
在实际中,一定要考虑裕量,压摆率应选择更高,下图的1V/us也是可以用,但是也是有一定风险,有条件可以选择更高。
那么有同学也会问,那么压摆率是越高越好吗?
我一直感觉任何事物仿佛都有阴与阳两面性,举个例子,就像之前篇章里的肖特基二极管,开关频率可以很高,但反向耐压就会偏低,与之相反的就是整流二极管,开关频率很低,反向耐压便是很高,而压摆率也是如此:
1、较高的压摆率将有更高的工作电流,这会导致更高的功耗。
2、更快的压摆率将有更高的带宽,这可能浪费带宽并增加电路设计的复杂性。
3、较高的压摆率会产生电磁干扰(EMI)。
以上三个参数,是运放选型中最重要的参考指标,重要性参考先后顺序。
供电电压如果出现问题,轻则无法工作,重则直接烧坏,而GBW和SR也是非常重要,如果放大信号时候,GBW和SR达不到要求,放大输出波形会出现失真,基本等于无法工作。
4、静态电流(Iq):越小越好
表示没有负载下的电流或者建立静态工作点的电流。
该参数越小,越省电,在要求低功耗的场合(例如手持设备,便携设备的)需选用低Iq的运放,其他运用时可不关注。
5、输入偏置电流(Ib):越小越好
由于运放虚断的特性,理论Ib=0,但是实际中Ib不等于0 。日常使用该参数影响不大,对于精密电流的检测则需要选择低Ib的运放。
6、输入偏置电压(Vos):越小越好
运算放大虚短的特性来看理论Vos=0,但是实际的V0s=V+ 减去 V- 。
对于只是单运放的芯片来说可能内部带调零功能,可将Vos调至0,对于多运放的芯片来说可以利用加法器原理来引入补偿电压来抵消Vos。
理想运算放大器或比较器的偏置电压为0V,所以实际选型时该值越接近0越趋于理想状态。
改参数是越小越好,市面大多以该参数为基准,≤1mv的,称为精密运放,以上的称为通用运放。
7、噪声(Vn):越小越好
噪声分为白噪声(与频率f无光)和f噪声,噪声可能由电源、地等引入,当放大小信号时需要使用低噪声运放。
4、选型
VS(min):供电电压最小值 VS(max):供电电压最大值
Vos:输入偏置电压 GBW:增益带宽积
SR:压摆率 Ib:输入偏置电流
Iq:静态工作电流 Vn:噪声
以上记录了四款型号运放的一些参数,要求在不同场景下进行不同选型,已知,供电电压,增益带宽积,压摆率,上述型号皆满足要求,:
场景一:手持设备
该场景下,手持设备关键需要考虑续航,在这里,需要选择低Iq的运放,选择LM358。
场景二:放大较小信号
该场景下,需要对输入偏置电压,和噪声进行优先考虑,选择OP07。
5、轨到轨
所谓轨对轨(rail-to-rail)运算放大器,指的是运放输入和输出电压幅值非常接近或几乎等于电源电压值。
不是所有的轨对轨运放输入和输出都接近电源,有的只是输入有的只是输出,当然也有的输入输出都是轨对轨的。
以上总结,有输入轨到柜运放、输出轨到轨运放、输入输出轨到轨运放,当然也有不是轨到轨的运放。
说这点就是为了各位以后比如看到输出轨到轨运放,就知道,这个运放电路输出电压最高也只能是供电电压。
5、运放计算
所有运放电路的计算,都是通过一个方式:虚短,虚断。
我们以一个电路为例,来计算出Vout与Vin的关系:
上图为运放最常见的一种电路,A点电压我们记作U+,B点电压我们记作U-。
虚断:电路可变成下图
可以看到,断可以理解为,将运放的两个输入端,全部砍断X。
此时,运放已经分为上下两个回路
很明显B点电压:U+ = 0V;
A点电压,根据RF与RI上流过的电流是一样的,所以:
RF两端电压/RF电阻 = RI两端电压/RI两端电阻
(Vout - U-)/RF = (U- - Vin)/RI
整理一下第二个式子,以上我们便得到两个公式:
U+ = 0V
Vout=((RF+RI)*U-)/RI - (RF/RI)*Vin
很明显,知道的信息还不够,还判断不出Vout与Vin之间的关系,需要使用虚短。
虚短:电路可变成下图
可以看到,短可以理解为,将运放的两个输入端,直接短接。
那么短接之后,U-端电压=U+电压
此时我们的到第三个公式U- = U+:
综合以上公式
U+ = 0V
Vout=((RF+RI)*U-)/RI - (RF/RI)Vin
U- = U+
进行求解:U+ = 0,而U- = U+,所以U- = U+ = 0;
所以Vout=((RF+RI)*0)/RI - (RF/RI)Vin = - (RF/RI)Vin
即我们算出,这个电路,输出Vout与输入Vin的关系为:
假设RF选用10K电阻,RI选用1K电阻,那么Vout = -10*Vin。
示例,该电路,运放的反向输入端,输入电压-0.1V时,输出端输出1V电压,若输入2V电压,则输出-20V电压。
但需要注意的一点是,必须选择大于输入电压范围和输出范围的电源电压,比如,想输出20V电压,则该电路运放供电电压,要大于20V(或±10V)。
以上,该运放电路计算完毕,对于其它电路,也是根据虚短虚断来进行计算,其实也很简单,就是砍断,短路,多用就习惯啦。