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集成运放技巧

时间:2020-01-11 00:17来源:海猎人

集成运放技巧

1.运放调零

有些运算放大器,尤其是在一只管壳中封入24个运放的多元集成运放,受限于引脚数目,往往没有调零端。对这类运放,在需要调零时可采用如图4-27所示的电路调零。图4-27为反相输入电路,调零电路的电源U+U-即为集成功放的供电正、负电源。为保证零位的稳定,U+U-应具有较好的稳定性。为使调零更加灵敏,在电位器RP两边可串入R,在RBRI//RF时还应保证RP+2R<<RS,在RB阻值较小时应基本保证(RB+R+)≈RI//RF。这是为了保持运放两输入端偏置电阻的对称以减小放大器的零漂。图4-28所示为同相输入电路,同理在RI较大时应有RBRIRF(RP+2R)<<RI。否则应有(RI+R+)RFRB,且闭环增益为1+RF/(RI+R+)

这种调零电路是在无法改变电路内部参数时,靠改变本应接信号地的输入端电位,使之稍稍偏向正或负,以补偿电路内部的不对称,使输出在UI=0时变为零。

并不是所有的应用电路都要被调零。例如,在非线性应用电路中(如运放)作为比较器或接成振荡器,这时运放的输出要么是正的饱和值,要么是负的饱和值,这种电路不需要调零;另一种情况就是当运放组成反相器(Au=-1)、跟随器(Au=1)或增益很低的比例器,而用户对电路的精度及零位又要求不太高时(这时零位一般只偏差数毫伏),也可以省去调零电路以降低成本并简化电路。

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4-27

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4-28

初学者在设计、调试电路时常常会提出这样的问题,即对于由若干级放大器组成的控制电路是否需要对每个运放级都调零?答案是否定的。以图4-29所示的低速转台调速电路为例加以说明。

电路中用了三个运放,其中N1N2组成两级比例放大,N3组成反相器。N2N3输出的差动信号控制桥式功放电路驱动低速力矩马达M1,并通过测速电机M2反馈,形成闭环。这里即使对三个运放电路分别调好零再连在一起,电路的输出仍不一是零。这是因为在高增益电路中,每级运放的放大倍数可能都很高,而所谓调零并不是真能把运放的输出调到零,而是让Uo小到电压表的量程分辨率之外,看不出Uo≠0罢了。将这些输出并不真正是零的放大器串在一起,前级的极微小零位输出被后几级放大后,仍能表现出相当大的零位输出。因此,即使每个运放级都调好零,各级串在一起后仍然还要再调零。既然如此,大家就不必要求每级运放都调零,而只在其中调零最灵敏的第一级加上调零电路,并在电路串成闭合回路后一起进行调零。这时,第一级运放的输出并不一定是零,但它可以补偿第二级、反相器及功放电路所有的零位偏移,并保证系统总的输出为零。

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4-29

电路调零并不是一劳永逸。因为集成运放的失调电压UIO、失调电流IIO虽然可以通过调零加以补偿使运放输出为零,但运放的UIOIIO具有温度系数指标,会随环境温度的变化而变化。今天调好零,到明天温度变了,输出又不是零了。因此,对某些要求高的应用电路,在每次使用前应预热一段时间后重新进行调零。

2.运放类型选择

1)峰值检测电路用放大器

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4-30

如图4-30所示,当输入信号增大时,根据运放的虚通特性不难分析出运放A的输出必然随之增大至约为U1+0.7V,使积分电容被充电至与U1相等,运放B组成的电压跟随器隔离使输出电压U0始终等于U1,并随U1的增大而增大;当输入信号减小时,运放A的输出电压将随之减小,而电容C上已经储存的电荷不可能经二极管D反向流回运放A,也不应该从运放B的同相端流入运放B(假定运放B的输入偏置电流小到只有数pA,能被忽略不计的话),这时运放A将被反偏截止而工作在非线性状态(此时虚通已不存在),并输出负的最大值(正、负电源供电),或输出为零(单电源供电),二极管D也处于反偏截止状态,这时电容上存储的电荷处于保持状态。其保持精度取决于积分电容是否漏电、二极管D的反向漏电流以及运放B的输入偏置电流的大小。所以,运放B一定要选用具有极低输入偏置电流(pA级)的高阻抗运放,才能保证峰值检测电路的精度。否则,电容上的电压就保持不住,电容上存储的电荷将作为运放的偏置电流注入运放,使输出电压随着时间衰减。不能保持的话,峰值检测也就名存实亡了。为提高峰值电路的精度,运放B应选用高阻抗运放,积分电容亦应选用漏电小的聚酯类电容,二极管D的反向漏电流也应尽可能小。由此可见,在设计积分器电路,或是以积分器为核心的采样/保持、峰值检测以及D/A转换等应用电路时,一定要选用具有高输入阻抗和低偏置电流的运算放大器,即高阻抗集成运放,才能达到满意的效果。

2)高输出阻抗电路的后接运算放大器

例如,在一些高温、高压等环境条件极为恶劣的场合需要测量压力、剪切力时,常常采用压电传感器。由于传感器本身由压电陶瓷材料制成,自身具有高达1014的阻抗,因此与它接口的放大器不仅要求高输入阻抗,还要求极低的输入偏置电流。这种传感器当它受力变形时,内部产生极化现象,同时在材料表面产生电荷。因为产生的电荷量极微弱,形成的电流约为pA级,如果与传感器连接的运算放大器输入偏置电流不是极小的话,这些电荷就将被运算放大器吃掉,而大大影响测量的精度。在这种场合,前述高阻抗运放因其输入偏置电流也是pA量级,放大这种电荷信号已经力不从心,这时只能选用具有极低输入偏置电流的静电计型高阻抗运算放大器组件。

3)同相端输入电路用运放

由于采用同相输入,因此,当输入信号变化时,运放两输入端上必须存在着与输入信号相等的共模电压,因此,为避免共模电压在不对称电路上转变成差模干扰信号,宜选取高共模抑制比KCMR的运放。

4)高精度电路

运放的失调电压UIO、失调电流IIO虽会造成输出失调误差,但通过调零电路完全可以将其影响消除,但是UIOIIO随环境温度不断变化的话,就将造成运放输出值不断随环境温度的变化而漂移,且电路的放大倍数越大,其漂移越严重。则会出现在生产厂内恒定温度下调节很准确,但在不同用户现场的不同温度下,或同一现场的温度波动情况下,输出的高精度是保证不了的。因此,对要求高精度的应用场合,更看重的是集成运放的输入失调电压漂移αVIO、输入失调电流漂移αIIO两个指标,而并非UIOIIO本身。

对微弱信号放大及其他高精度应用场合,必须用低漂移运放才能保证精度。否则,即使在通电时调好零位,调好放大倍数,随着通电时间的持续及环境温度的变化,电路的输出也将出现相当大的正比于αVIOαIIO和电路放大倍数的输出漂移。

5)交流放大电路

在电路中,除了电压、电流的指标之外,还有一个变化率的指标du/dtdi/dt,甚至有的时候,对运放工作状态的影响比电压、电流都大。

集成运放是一种直耦电路,所以它既可以用于直流放大也能用于交流放大。但是,在交流频率较高的时候,运放对瞬间du/dtdi/dt的反应取决于其频率特性。

集成运放都是引入深负反馈工作的,随着闭环增益的降低,增益降低的倍数,就是带宽亦相应增大的倍数,即每个运放的增益带宽积是一个常数。例如µA741,当用作10倍放大器时,由于深负反馈的作用,其带宽可扩展到100kHz。如果不注意这个指标,设计出的交流放大器就可能出问题。

当输入信号中的频谱成分较为复杂时,如果放大器选型未关注到频率带宽特性,则有可能导致较高频率的信号不能被(与较低频率信号一样)同比例放大,从而导致放大失真。常见的故障现象是放大器也可以工作,但实测的放大倍数比理论计算值要小得多。

一般运放手册中给的带宽指标,通常均指单位增益带宽(或增益带宽积)。即放大倍数为1时的频带宽度,如果闭环增益增大若干倍,带宽也要相应降低若干倍,不能仅以手册中给的带宽典型值作为选型依据。更值得注意的是,这里所说的带宽仅指小信号带宽(指运放的交流输出幅度峰峰值仅100mV量级),如果输出交流波形的幅度较大,或接近运放的最大输出幅度时,则集成运放的工作频率范围将比手册中从幅频特性典型曲线上查出的带宽值要小得多。这是因为,由于集成运放中的放大级晶体管的结电容和电路分布电容等的影响,使运放的输出电压不能随输入信号的变化而马上变化,当输入信号正、负向跳变时,其输出电压只能以一定的速率变化(即运算放大器的压摆率摆动速率”SR,单位为V/μs,通常取正、负向中的最低者)。当输入正弦信号的频率不断增高时,运放的输出波形受SR指标的限制,最终必然产生波形失真。而且,在不同频率下,输出正弦波幅度越大,其波形过零时的速率也就越大,这个变化速率若超过元器件的SR指标(如µA741SR典型值仅为0.5V/µs),必将导致输出波形失真,并最终变成正向和负向不一定对称的三角波。所以,对同一信号频率,即使在输出幅度小时未发生波形失真,当信号增大、输出幅度增大时,仍可能出现波形失真,所以,对设计电路更为重要的带宽指标应该是全功率带宽,即指当运放输出幅度达到最大峰峰值(例如UOPP=20V)时,正弦信号的不失真工作带宽,这个值一般要比小信号带宽低数十倍。除此之外,当信号频率增高时,不仅运放的开环增益要减小,其共模抑制比、电源抑制比、输入电阻还要降低,而输出电阻将变大。这些,对放大器的工作精度都是不利的。因此,在设计交流放大器,尤其是在放大高频信号时,一定要注意这个指标,并选用合适的运放才能还到满意的效果。

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