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1、运算放大器实战入门(下),云南大学信息学院：何乐生,2010.4,本讲座的主要内容,对设计者而言，运算放大器到底能解决什么问题？在运算放大器令人眼花缭乱的众多参数中那几个最最重要？它们怎样影响实际设计？我们常用的运放有哪些，各自在什么时候用？怎么对它们进行分类？运放电路设计时的基本原则有什么？运算放大器典型应用电路分析。,运放电路设计的基本原则,原则上，所有的输入和输出电压都不允许或不能够超过电源电压范围。输入输出范围必须由具体型号决定。“虚短”和“虚断”是所有分析和计算的基础，但它们成立的前提是“负反馈”成立。一般运放的输出电流不允许超过20mA，否则将不再满足“虚短”和“虚断”的原则。所有
2、的运放电路都必须存在一个工作点，没有正确工作点，所有的设计就像没有基础一样无法工作。,本讲座的主要内容,对设计者而言，运算放大器到底能解决什么问题？在运算放大器令人眼花缭乱的众多参数中那几个最最重要？它们怎样影响实际设计？我们常用的运放有哪些，各自在什么时候用？怎么对它们进行分类？运放电路设计时的基本原则有什么？运算放大器典型应用电路分析。,设计举例,下面通过设计实例，说明上述设计基本原则的应用。,例1 基本放大电路,优缺点：1、增益为负，可以在任何范围内调节。2、放大器带宽较宽。3、运放输入共模电压不变，失调电压固定。4、具有输入电流通路，可以用作电流和电荷放大器。5、输入阻抗为R1，较小。
3、,优缺点：1、增益为正，但大于1。2、放大器带宽较窄。3、运放共模电压随输入电压变化，失调电压有可能变化。4、输入阻抗为运放输入阻抗，很大。可以用作电压型传感器放大器。,例2 工作点（麦克风放大器）,驻极体麦克风可以简化为一个受声音控制的受控电流源。放大电路要完成的任务：将受控电流源变化转换为电压变化；将电压变为录音设备（如ADC）可以接收的0电源电压的电平信号。,例2,问题：1、这个电路的工作点是多大，有谁决定的？2、电容C起到了什么作用？如果是双电源电路是否需要电容C?3、怎样增大电路的增益？,例3 小电流恒流源的设计,问题：设计一个角度传感器的调理电路，该传感器工作原理是一个电位器：转过
4、的角度和两个测试端之间的电阻成正比。分析：需要恒流源做为调理电路，U=R*I，如果电流固定，则输出电压和测试端之间的电阻成正比。思路：最直接的想法是利用“虚断”，如果从输入端往后输送一个固定电流，则反馈通路上的负载将得到这个固定的电流。,例3,问题：1、恒流源的“恒流”是多大？2、这个电路能够提供的最大“恒流”是多大？3、电路输出的电压怎样随角度传感器的输入变化？（传递函数）4、恒流源的稳定程度主要由什么决定？5、电压基准为什么要反着接？怎样改进？6、在这个电路中使用虚断的前提是什么？7、这个放大电路的“工作点”是什么？,例3,仔细分析上图可以发现，可以用一种更本质的方法得到这个电路：这是一个
5、电流反馈电路。通过传感器的电流在RCRA2上变为电压（-VREF和地之间的压差），这个电压被反馈到了运放的反相输入端，从而构成了一个电流负反馈电路。,例4 大电流恒流源的设计,例1电路的重要缺点是输出电流小，为了增大其输出电流，自然联想到使用分离元器件：,例4,问题：1、恒流源的“恒流”是多大？2、这个电路能够提供的最大“恒流”是多大？3、怎样确定这个电路是负反馈电路？它具有什么样的负反馈形式？4、电路的工作点是什么？5、怎样提供更大的输出电流？,例5 电流、电荷放大器,如果某个传感器的机理是输入物理量和输出的电荷或者电流成正比。则我们就需要一个理想的（内阻为0）电流或电荷的“接收器”。当这些
6、传感器从反相输入端输入时，根据“虚短”原则，这个输入端将被固定在同相输入端给定的电平上。而传感器输出的电荷或者电流将被完全吸收，从而构成输入电阻为0的理想“接收器”。,例5,硅光电池的接收电路,电荷放大器,例6 阻抗变换的例子,注意接成跟随器的运算放大器OPAM1A的作用：右腿驱动放大器OPAM1B是一个反相放大器，它的输入阻抗等于1K（RDR9）。如果直接将Y型电阻网络的中心点直接连接到反相放大器的输入，相当于在这个点和OPAM1B的工作点REF1.5之间连接了一个1K的电阻，这个电阻势必影响Y型电阻网络的工作，因此必须加入跟随器进行阻抗变换。,心电放大器右腿驱动的电路,例7 增加运放输出能
7、力的电路,普通运放的输出能力在20mA左右，无法达到很多应用的需求。这是一个通过推挽输出的三极管增加输出电流的例子。,问题：1、怎样分析这个电路的反馈，它的增益是多大？2、这个电路中为什么没有出现去除“交越失真”的二极管，运放的什么参数决定了不需要这两个二极管？3、除了三极管的饱和电流之外，电路的输出电流还由什么决定？怎样提高？,例8 METER_BUS下行调制,METER_BUS下行调制是电压调制，需要让电压在24V和12V之间切换。且工作电流较大，可能达到100mA以上。比较直接的一种想法就是：用小电流的调整电路首先产生24V和12V的电平信号，再用输出电流较大的“跟随器”来产生METER
8、_BUS的信号。,例8,问题：1、功率输出部分的增益是多大？2、为什么是一个N沟道MOS管和一个PNP三极管的组合，且三极管是一个小功率管？3、这个电路有什么致命问题？,问题：为什么要将运放的电源提高到30V？,例9 减法器,为什么说减法器很重要？实际设计中（如心电放大器和很多传感器电路），很多情况下干扰以共模形式存在，即干扰会同时出现在传递信号的两根线上。解决的办法是求两个信号线的差。运算放大器本来是一个三端器件：求出两个输入端的电压差，表示在输出端上。但直接用运算放大器求出电压之差并不是一件容易的事。原因是运放的增益很大，且不是一个恒定的值。,例9典型的减法器。,问题：1、这个放大电路的工
9、作点是多少伏？2、影响这个电路精度的最重要因素是什么？3、Vref是否可以通过电阻分压产生？4、这个电路的输入阻抗是多大？,根据叠加原理，这个电路的传递函数等于：(VO-Vref)/(V1-V2)=K其中K=R2/R1=R4/R3,例9 减法器电路的主要缺点,输入阻抗不够大，无法直接应用在心电放大等电路中；需要精确的电阻网络R1R4，如果这四个电阻之间的比例关系有误差将严重影响减法器的精度。增益调节时需要至少同时按比例改变两个电阻的阻值，因此几乎无法实现增益调节。,例10 差分放大器,为了解决上述矛盾，有一种解决方案：在减法器前面加上一个差分放大器。该差分放大器不直接去做减法，而是完成放大放大
10、两个信号的差模部分，共模部分不变，留待后续减法器解决。该差分放大器还应具有以下特性：输入阻抗无穷大；能够方便的改变差模信号的放大倍数。,例10 差分放大器,问题：1、这个放大电路差模增益和共模增益分别等于多大？2、输入阻抗等于多大？输入阻抗呢？3、通过什么方法可以方便的改变它的差模增益？,例11 仪用放大器,将上述两种放大器合在一起就得到了我们常用的“仪用放大器”：AD620 AD623 AD8220 INA110 INA118等等。,例11 仪用放大器,由差分放大器提供的很高的输入阻抗；由激光修订的非常准确的电阻R1-R4（价格较高的原因），提供很高的共模抑制能力；可以通过电阻Rb进行方便调
11、节的增益；输出的是两个信号的差，但这个差的表示方法是相：对于可变的Vref。也就是实现的电平的平移。,例11,仪用放大器使用注意事项：不要轻视5脚Vref，因为它等于是提供了输出的参考点。可以用它将输出变换到所需的任意电平基准上，单电源应用正是基于上述思路。Vref引脚输入电阻不是无穷大，不可以由电阻分压产生。仪用放大器的共模抑制比和增益成正比。输入信号电平不能超过电源范围。,例12 最精彩的一例,利用极低的失调电压的运放，不切断导线，直接测量导线上流过的电流。有的运放的失调电压已经非常小1uV，这意味着在1的导线上可以描述1uA的电流，这可以完成一个非常精密的电流测量。,铛！铛！铛！,用极精密的运放可以不切断电路板上的走线，直接测量走线上的电流！,例12,问题：1、为什么要用失调电流很小的运放才能测出走线电流？2、电路板走线上的电流和输出之间的关系？3、为什么要强调运放的地是“仪器的地”？,谢谢！,
