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运算放大器应用设计的几个技巧

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发表于 2017-1-12 21:45:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
运算放大器在电路中发挥重要的作用,其应用已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个领域,并将在支持未来技术方面扮演重要角色。在运算放大器的实际应用中,设计工程师经常遇到诸如选型、供电电路设计、偏置电路设计、PCB设计等方面的问题。在电子工程专辑网站举行的《运算放大器应用设计》专题讨论中,圣邦微电子有限公司总裁张世龙先生应邀回答与工程师进行互动。我们也基于此专题讨论,总结出了运算放大器应用设计的几个技巧,以飨读者。
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0 I" y1 N6 w/ S# [: D- A. t
一、如何实现微弱信号放大?. b) V. a6 e; X4 Y) e
. e8 e  u- j& D! h2 x
传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路,在这种应用中,一个典型的问题是传感器提供的电流非常低,在这种情况下,如何完成信号放大?张世龙指出,对于微弱信号的放大,只用单个放大器难以达到好的效果,必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段,而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构,包括传感器的方波激励,电流转电压放大器,和同步解调三部分。他表示,需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的SPDT模拟开关。$ M/ _7 i! H; O" D& ^5 \# q
! ]/ p! [; P9 R! q' I7 L
另有工程师朋友建议,在运放、电容、电阻的选择和布板时,要特别注意选择高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻。有网友对这类问题的解决也进行了补充,如网友“1sword”建议:1 U0 ~* w  ?4 z1 }7 K9 D
$ U6 a6 W% ~1 y
1)电路设计时注意平衡的处理,尽量平衡,对于抑制干扰有效,这些在美国国家半导体、BB(已被TI收购)ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。
. f1 L9 M" U" x4 B8 p) }

+ o2 A, S* h6 e5 O% ^1 }
2)推荐加金属屏蔽罩,将微弱信号部分罩起来(开个小模具),金属体接电路地,可以大大改善电路抗干扰能力。4 t# ?) l: j( Z' h
- h0 ]7 r0 I. G( N* @2 X( ~
3)对于传感器输出的nA?级,选择输入电流pA?级的运放即可。如果对速度没有多大的要求,运放也不贵。仪表放大器当然最好了,就是成本高些。, w0 v# F* S$ F! o6 A6 ]

& F: z( F( \, Q0 m. ~. i2 ~: W
4)若选用非仪表运放,反馈电阻就不要太大了,M欧级好一些。否则对电阻要求比较高。后级再进行2级放大,中间加入简单的高通电路,抑制50Hz干扰。
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9 R2 L& c' P& @) G
二、运算放大器的偏置设置
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: k) _' U4 {: J1 w1 I% s5 n( S
在双电源运放在接成单电源电路时,工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择,比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好?有的网友建议用参考电压源,理由是精度高,此外还能提供较低的交流旁路,有的网友建议用电阻,理由是成本低而且方便,对此,张世龙没有特别指出用何种方式,只是强调双电源运放改成单电源电路时,如果采用基准电压的话,效果最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。但若采用电阻分压方式,必须考虑电源纹波对系统的影响,这种用法噪声比较高,PSRR比较低。9 P/ n4 h; G( k# t
# |& k  A8 d0 U$ u
三、 如何解决运算放大器的零漂问题?
( l' x/ N9 n+ {" n$ `4 x2 T9 ~- D0 g
8 u; T* ~: B  u/ o$ r
有网友指出,一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换,可是在传感器动态工作时,电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生,如何解决这个问题?% K" @/ ~+ O  E8 E. y( |
0 W/ R+ K; u6 V, |: w- H6 ?
对此,网友“Frank”分析道,有几种可能性会导致零漂:1)反馈电容ESR特性不好,随电荷量的变化而变化;2)反馈电容两端未并上电阻,为了放大器的工作稳定,减少零漂,在反馈电容两端并上电阻,形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点;3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高,造成电荷泄露,导致零漂。8 X  a) k; |1 F* n+ Z

6 [, ?$ F1 u9 s) o
网友“camel”“windman”还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析,认为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大,运放的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小,即反馈电阻的作用是为了防止漂移,稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话,也会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑!5 F' q8 e2 R! W
- V7 e8 H/ h: U0 F0 ?9 N
而嘉宾张世龙则建议,对于电荷放大器输出电压不归零的现象,一般采用如下办法来解决:" J+ g5 F# I  W) o+ s

( u' |5 k7 w  Z, u5 |! V  T+ e/ R. \
1)采用开关电容电路的技巧,使用CDS采样方式可以有效消除offset电压;2)采用同步检测电路结构,可以有效消除offset电压。
9 y$ k" q3 R7 @4 d1 A+ b5 U# r' e
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发表于 2017-1-17 10:49:57 | 显示全部楼层
楼主说的非常好,谢谢了。
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发表于 2017-1-31 05:17:12 | 显示全部楼层
应该多来PCB联盟网来逛逛,学习了不少
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发表于 2017-3-29 14:02:22 | 显示全部楼层
看看 学习下别人不一样的方法  看能不能更加高效
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发表于 2017-4-3 20:07:35 | 显示全部楼层
感谢分享,学习了
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发表于 2017-7-22 11:44:34 | 显示全部楼层
有助于理解,感谢
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发表于 2017-9-18 20:51:45 | 显示全部楼层
不错,领教了。
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