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单端输入运算放大电路计算

时间:2020-01-10 00:17来源:海猎人

单端输入运算放大电路计算

设计一交流放大器,放大倍数Av=500,输入阻抗Ri≥100kΩ。如何选择电路方案,同相输入还是反相输入更好?

如采用反相输入的方式,电路如图4-18所示。按照虚短的概念,运放输入的同相端与反相端的电位近似相等,同相端接地为低电平,反相输入端的电平也约为低电平。因此,对于Vi输入,对地输入阻抗Ri即为R1的阻值。因此,为保证输入电阻Ri≥100kΩ,则R1至少取100kΩ

而为保证放大倍数Av=500

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且为实现同相端与反相端的阻抗对称,RB=Ri//Rf=100k//50MΩ≈100kΩ

如采用同相输入的方式,电路可如图4-19所示。由于同相输入阻抗近似无穷大,因此对RB无特殊要求,可以随意选。取R1=1kΩ,则Rf=499kΩ,可满足Av=500RB的值近似取1kΩ即可。

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4-18

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4-19

分析以上两种设计方案。

4-18中反相输入电路,无论运放输入信号Ui多大,其U+U-两输入端对地的电压值始终近似为0,即共模输入电压为0,这样即使运放的共模抑制比(CMRR)较差,不能对共模输入有很好的抑制也没关系,因为输入Ucm本身就接近于0,即使抑制不掉太多也没大影响。

而在图4-19中的同相输入电路中,当同相端的输入电压为Ui时,U+U-之间的差值,即为差模信号。但同时,只要Ui不为0时,运放两输入端都会有较大的共模电压。例如差模信号(U+)-(U-)=5.00001V-4.99999V=20µV,则此时共模电压为((U+)+(U-))/2=(5.00001V+4.99999V)/2=5V

集成运放虽有较高的共模抑制能力,但其共模放大倍数总是大于零的,因此多少会带来一点误差,这是同相输入的缺点。但本例要求放大器有较高的输入电阻和较大的放大倍数,如采用反相输入形式,则R1Rf的值至少要取到100kΩ50MΩ。运放电路中,如果使用这么大的电阻,R1Rf上流过的电流就不会太大,而运放输入端的输入偏置电流I+I-会对R1Rf上的电流分流,这个分流占R1Rf上流过电流的比例就会比较大了。从而形成较大的干扰电压,并影响整个电路的工作精度。因此,本例同相输入电路形式更好些。就比如生活中,如果我有100万现金,有人来借2000元,2000元在100万里占的比例太低都可以赠送了;而如果手里只有2200元,有人来借2000元,这个额度占总现金量的比例有点大,就会斟酌是否借出了。运放的各参数对最终的电路工作结果多少总是会有影响的,但在实际设计中,按照抓主要矛盾的思想,也不必面面俱到全部考虑其影响,仅抓住其对最终核心性能参数影响最大的因素为关注重点,影响后果的判定以电压容限(见本书前言)不超标为标准,例如模拟放大电路误差要求不超过±5%,则图4-18R1上流过的电流I1与运放反相输入端的输入偏置电流I-的比值为

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其他参数的影响考虑同理。

还有一个常引起困惑的问题:图4-19中,取R1=lkΩRf=499kΩ,从理论计算上其参数是可以接受的,或R1=1ΩRf=499Ω,或R1=100kΩRf=49.9MΩ,在工程计算时都是能保证放大倍数Av=500的,那R1Rf的值是否可以随意取呢?如果不能,其取值又受哪些因素制约呢?

前面分析,R1Rf的值过大可能会带来输入偏置电流导致的输出电压漂移干扰,从减小偏置电流、失调电流及其漂移所造成的误差来看,R1Rf的值取小些好;但也不是越小越好,在电路中,R1Rf同时也是放大器的负载,当输出电压不为零时,运放除了向后端的负载电路提供电流外,也同时向Rf提供支路电流。例如,若取R1+Rf=500Ω,则当输出电压Uo=10V时,就应该有20mA电流自运放输出端流入RfR1,而集成运放的最大输出电流通常只有约±10mA,过重的负载会使运放提前进入饱和状态,输出动态范围减小,还可能使管耗增大,发热严重,而造成元器件的损坏。因此R1Rf的阻值应该有一个合理的范围,在适当的阻值范围内,阻值大小影响不大,可以接受,但超出了阻值范围,则会有较大的问题。

运放的另一个问题:如何选取电阻的精度等级。无论精度要求高低,都要用最坏电路情况分析法(WCCA)做选型计算,确保在最坏元器件参数的情况下,电路仍能正常工作而不超标。切不可仅凭经验值选择电阻,然后做几台样机测试合格后,就认为产品设计没有问题了。

最坏电路情况分析法示例如图4-20所示。假设在图4-20所示的电路中,放大倍数要求为1(为了较容易说明问题和便于计算),放大倍数误差上下限范围≤±10%,则R1R2的精度等级如何选取?

选择5%够不够?如果选5%的电阻,然后制作几台样机,样机测试结果几乎有99%以上的概率是满足要求的。但绝对不能认为5%的精度就可以满足精度要求。分析如下。Uo/Ui=R2/R1±10%的误差考虑进去,得出

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因为放大倍数要求为1,所以R1R2取相同的阻值R,但加上其误差所导致的阻值变化值假设为ΔR,则R2/R1会出现两种极端情况,

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这种阻值的组合结果使放大倍数最大;

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这种阻值的组合结果使放大倍数最小。

从上例计算得出,精度ΔR≤4.76%×R。即如果选择了±5%精度的电阻,在特定情况R(1-5%)R1R(1-4.76%),而R(1+4.76%)R2R(1+5%)时,放大电路精度会超出±10%的要求。这是一个设计缺陷,但这个设计缺陷在研发样机的设计和测试中未必能被发现,因为R1R2的这种匹配组合关系,是一种小概率事件,批量很小的时候发生概率很低,但在大样本量的时候,各种阻值的配对情况都可能出现,出现少数的因为此原因产生的超差就不可避免了。

比例放大器的基本电路就是反相输入、同相输入两种,但通过电路的变化,可以派生出各具特色的电路来。

例:设计一款直流放大器,要求增益500,输入电阻100kΩ,输入/输出反相。

输入/输出反相的要求决定了应当选取反相输入的方式;

若采用如图4-17所示的电路,输入电阻100kΩ的要求决定了R1=100kΩ

放大倍数500倍的要求决定了Rf=50MΩ

就这几个参数,如果仍用图4-18中的电路,Rf太大会导致对运放输入偏置电流的要求太高。用图4-21中的电路可以解决这个问题。

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4-20

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4-21

计算如下。

虚短”“虚断特性,运放输入端U2=U3=0,可分析出

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推导得出:单端输入运算放大电路计算 - 海猎网-海猎人

流入节点A的电流和流出它的电流

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则求出

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4-21中的电路放大倍数A则可由上式求得:

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在图示参数下A=500,计算中略去了If的影响,虽会造成误差,但因为If在本例中仅为I1的千分之一,在精度要求不高的时候,这种近似通常是允许的,其判断的依据是被忽略掉的部分对最终结果的影响是否超出了设计输入目标的要求。若为了设计较高精度的电路,不略去If,也可通过公式计算出精确的R1R2分压值,并通过可变电阻的选型方式精确调出所需增益。

如需输出、输入同相,可采用同相输入方式,如图4-22和图4-23所示。两个电路的放大倍数推导和各自缺点请自行分析。

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4-22

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4-23

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