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元器件学习之--------运算放大器

时间:2024-10-17 15:18:31浏览次数:3  
标签:-------- 元器件 供电 运放 电源 电压 放大器 RI 输入

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:

        Vout=-\frac{RF}{RI}Vin

        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。

        

                张牙舞爪的人,往往是脆弱的。因为真正强大的人,是自信的,自信就会温和,温和就会坚定

标签:--------,元器件,供电,运放,电源,电压,放大器,RI,输入
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