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标题: 详解运放七大应用电路设计(附技术要点) [打印本页]
作者: admin    时间: 2019-10-12 14:50
标题: 详解运放七大应用电路设计(附技术要点)
运放的基本分析方法：虚断，虚短。对于不熟悉的运放应用电路，就使用该基本分析方法。
. U4 X3 {: ]0 U; w. n1 j* P- b( R7 R: T6 p- [
运放是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。8 Z) T: f/ V5 z# _4 c

4 g  L4 @5 V" `3 v6 b: g0 T# }8 ?8 r
  D, N- E, Q; e9 \: b' \0 ?1、运放在有源滤波中的应用! T  X3 R/ V5 ^& ?( r

% q: \7 H( Y6 n+ W# t上图是典型的有源滤波电路（赛伦-凯 电路，是巴特沃兹电路的一种）。有源滤波的好处是可以让大于截止频率的信号更快速的衰减，而且滤波特性对电容、电阻的要求不高。/ v( N. z& l; u2 w4 o
+ B- n9 k! H% W2 v8 K7 x
该电路的设计要点是：在满足合适的截止频率的条件下，尽可能将R233和R230的阻值选一致，C50和C201的容量大小选取一致（两级RC电路的电阻、电容值相等时，叫赛伦凯电路），这样就可以在满足滤波性能的情况下，将器件的种类归一化。其中电阻R280是防止输入悬空，会导致运放输出异常。
7 e8 k  V3 F. G# k6 e8 L5 f" O2 }6 a
滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为
5 z" v) s( t3 ?6 U) x* r3 y巴特沃兹，单调下降，曲线平坦最平滑；
+ I0 z, _/ u. T% f
8 G0 s" [  R* m! |, g% Q4 e巴特沃兹低通滤波中 用的最多的是 赛伦凯乐电路，即仿真的该电路。) a( C6 \, A! k* H; V
$ d( a' }3 d; \" H
一个滤波器，要知道其截至频率是多少，或者能写出传递函数和频率响应也可以。* N' a0 \" v% P

9 S7 g8 r5 [: X; z. X) Y; M9 ^' a如果该滤波器还有放大功能，要知道该滤波器的增益是多少。
% F' D3 C& Z& R4 z8 f% g! @; Z当两级RC电路的电阻、电容值相等时，叫赛伦凯电路，在二阶有源电路中引入一个负反馈，目的是使输出电压在高频率段迅速下降。
/ k. @+ B. f* }, Y) C0 a. t; P3 n1 J  F3 h/ m
二阶有源低通滤波电路的通带放大倍数为 1+Rf/R1 ，与一阶低通滤波电路相同；9 j$ D& a- ^+ C
7 H6 b; a7 q# _$ ^8 B+ j/ e/ S! w5 X5 D
8 b! U- T, l- y5 u! w* a2 y

+ R9 p0 I0 k4 Z; i$ \截止频率为
+ b+ W8 t+ H9 \" G9 I! G* V# h( m/ x, c, _. `5 A7 _* I) G
注明，m的单位为 欧姆， N 的单位为 u
" Z; r7 H2 x* w( n$ U所以计算得出 截止频率为
/ A& v% G& b7 X- A! M" m2 y
7 e; `. W1 N% v) Y+ {7 G

6 i  B6 X" e: T0 m) d$ H切比雪夫 ，迅速衰减，但通带中有纹波；( }! X- [8 ^9 g* }2 d* M

* h, }* [+ R7 Q- T, D2 ~; o) z# H贝塞尔（椭圆），相移与频率成正比，群延时基本是恒定。$ O: u' R2 _* g7 e

" r1 H" {; ?9 ]& T7 f- W. ?& r: V2 C7 V5 f  r: y
2、运放在电压比较器中的应用
, R4 \: I0 `% K8 a3 [8 V1 L上图是典型信号转换电路，将输入的交流信号，通过比较器LM393，将其转化为同频率的方波信号（存在反相，让软件处理一下就可以），该电路在交流信号测频中广泛使用。
* g1 E9 u, _8 L* s# m3 ]
( [0 I" W' S2 K) M' ^该电路实际上是过零比较器和深度放大电路的结合。
9 Y, L; E) o0 R* W6 M( n" V8 {3 d4 G* v4 [. Q' r# [3 Z
将输出进行（1+R292/R273）倍的放大，放大倍数越高，方波的上升边缘越陡峭。
7 S) x7 z. y  s+ ~
4 p) w8 m  C4 m3 }0 r% ?/ N, b$ A该电路中还有一个关键器件的阻值要注意，那就是R275，R275决定了方波的上升速度。
8 @, l+ l( p- c
9 c7 E5 b6 X3 v* t; ^0 S% r" B
- g6 D* }, R; X: Z) z" L" Q) n- n3、恒流源电路的设计
4 e8 u1 M/ G8 I- M% X如图所示，恒流原理分析过程如下：. B* d, ?( b: E
/ m( m2 a1 s' C; Z: y

$ ]! M" W' `" t1 ?& QU5B（上图中下边的运放）为电压跟随器，故V1=V4;
5 b* I3 t4 `- x: z/ b4 t0 ~7 k: t: }' ^8 @+ s
由运算放大器的虚短原理，对于运放U4A（上图中上边的运放）有：V3=V5；4 Z9 k+ a) d5 [+ u+ v) ^9 J0 C6 U
有以上等式组合运算得：+ V& U& u/ |; ~, d
! V' A- i! h" J, h
当参考电压Vref固定为1.8V时，电阻R30为3.6,电流恒定输出0.5mA。
  C8 C$ a: @) g" k' j+ r# o8 }$ I* G' x; v) u) }
该恒流源电路可以设计出其他电流的恒流源，其基本思路就是：所有的电阻都需要采用高精度电阻，且阻值一致，用输入的参考电压（用专门的参考电压芯片）比上阻值，就是获得的输出电流。
- P+ k7 u, r" ^8 h1 h- x6 Z
  f2 B$ m+ x2 a4 G但在实际使用中，为了保护恒流源电路，一般会在输出端串一只二极管和一只电阻，这样做的好处第一是防止外界的干扰会进入恒流源电路，导致恒流源电路的损坏，二是可以防止外界负载短路时，不至于对恒流源电路造成损坏。
& N0 c; n& E* Q, s# _1 ~4 _; t9 W- B2 Z4 V* w- B! o
+ {; Y. M8 L) {0 g
$ _3 N, V5 b# e" k
8 I( t+ \# P( o; j: |  G4 S
4、整流电路中的应用5 Q# A  {0 i9 ^4 |6 M
上述电路是一个整流电路，将输入的一定频率的脉冲整流成固定的电平电压，再用此电压控制4-20mA电流的输出电流。该电路功能类似一些DAC功能的接口。
& {8 w1 ]7 Y  w7 t. W- }. x9 ]$ J  b. ], l( c6 T
& Z: [# s; q3 j8 W
4 u) b$ C( C/ s4 W4 g  T0 M0 L6 V- T
5、热电阻测量电路% `! P2 ]% N/ U& J& S
/ V3 t( S# S; I0 |: w7 W
上图的电路是典型的热电阻/电偶的测量电路，其测量思路为：将1-10mA的恒流源加于负载，将会在负载上产生一定的电压，将该电压进行有源滤波处理，处理后在进行信号的调整（信号放大或衰减），最后将信号送入ADC接口。6 t- U1 _  w' n- O

0 b2 y; B  z" k) {; j$ R0 d
; U3 x& n5 T% d8 q6 I; L1 `# j该电路应用时，要注意在输入端施加保护，可以并TVS，但要注意节电容对测量精度的影响，当然，如果在一些低成本场合，上述电路图可简化为下电路7 U" _6 Q/ l9 B/ l+ s9 `
1 R/ O/ h- `. s# y3 _& {( a& _

6 s- @5 W- {( ~% r- K6、电压跟随器5 c7 m# G' j( y. r9 Q1 H$ S) h
在运放的使用中，电压跟随器是一种常见的应用，该电路的好处是：一是减小负载对信号源的影响；二是提高信号带负载的能力。
5 t" w4 j. `, V& z8 X6 S9 W4 j5 l- b8 |9 U" M+ H# r/ t9 D
; ]8 q' G4 v" i& o7 O  K* p
上图是运用运放实现了电阻分压的功能，首先用电阻获得需要输出的电压，然后用运放对该电压进行跟随，提高其输出能力。
+ Q6 m! e0 ^% c7 h6 {: c6 p  m5 L* Z" z
- N2 ?* D  y' C! }
( m% a& v' v- |, X9 E, I7、单电源的应用- r3 j- F9 ^! \9 E. ^
: {# @: F' [% o" r
% A# U) J+ ^9 ~; e# T2 W$ i
在运放的实际使用，我们一般为了保持运放的频率特性，一般都采用双电源供电，但有的时候在实际使用，我们只有单电源的情况，也能实现运放的正常工作。
- A6 P% @4 C7 O9 a7 E6 N, C4 y7 W5 Q2 P5 M% k
首先我们运用运放跟随电路，实现一个VCC/2的分压:: b2 X3 h$ ]0 s' q5 A7 n& [. \0 y& R

% g. m8 T2 m) @" o8 u当然，如果在要求不是很高的场合，我们可以直接电阻分压，获得+VCC/2，但由于电阻分压的特性所在，其动态的响应速度会非常慢，请谨慎使用。
/ @6 \$ W4 M2 D7 q4 @6 c/ n; T8 _4 y: o' w8 e7 Y, e0 P8 S' l
获得+VCC/2后，我们可以用单电源实现信号放大功能，如下图：
8 [: w, V6 x6 B. M6 m1 q! k0 d! ?+ w8 O! u9 H! @
该电路中 R66=R67//R68， 信号的输出增益G=-R67/R68 。
# N' Z) Y' A% k2 K9 B4 `4 g6 ]2 n: D0 Z, n7 \& A- p% R
具体应用如下图：运放为单+5V_AD供电，AD芯片的电压是3.3V（基准电压芯片REF3033得到），该3.3V再电阻分压和经过运放跟随后得到1.65V，给到运放的同相输入端5 g$ G" E  D9 R' `7 ]
附：运放的应用要点
* Y* P* X5 K1 R! V. i9 a- a来源：网络



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