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[硬件] 详解运放七大应用电路设计(附技术要点)

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发表于 2019-10-12 14:50 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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x
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。6 [7 `* I4 V; v1 d; e

) [( V: O. ^/ ?  S, _" U/ Z  P/ I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。% W5 V5 {) |1 v# _
4 y# z+ m3 U& E$ p  ~" b5 R
1 O. M$ g& ~  C' p
1、运放在有源滤波中的应用
4 h' u6 Q9 N* t( r. ^" e
. {% i1 O! e% ]/ Z. j0 B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。
* x3 e+ U) B3 B9 x. x
7 ]5 ~+ A' U' n: {  {$ o- P& M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。1 I- C9 L: _: b5 G
8 T' ^% H+ a- Y8 A5 J! E3 t
滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为" R0 ]$ `9 a1 h
巴特沃兹,单调下降,曲线平坦最平滑;
* p; |7 C: E) t* X
1 r" P& M; l5 X$ L8 l' q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。
; _$ i" z* H+ U: Y0 V) T, Z. v  n  E7 s# t5 m6 d" X8 B
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。0 M! Z. y" S1 ^' l) m+ Q
3 L4 G  P% v7 D9 a9 q
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。7 l5 G( V: N% Q5 P& g% s8 t
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。2 ~! i, C" O8 [+ H; O

  f3 E' p, m9 X) v7 D- O7 c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;) v! z, ]4 F: ~" |. T

* R* d/ f1 t& w$ f* `0 f# \) {" ]3 B" t% f, H
2 {4 m/ R+ G. E) i  ^0 n
截止频率为+ M/ t- k! N! x: f( q3 l
6 u9 Q9 P) g; ?
注明,m的单位为 欧姆, N 的单位为 u+ u& W% }9 g# [4 }7 g" m
所以计算得出 截止频率为8 O2 L: z# w/ v  `
0 [% p0 B$ @7 V
  B: f( U/ L3 ?7 d$ k
切比雪夫 ,迅速衰减,但通带中有纹波;" ^2 E1 x9 E( K4 T

7 Z; e7 b, v; a贝塞尔(椭圆),相移与频率成正比,群延时基本是恒定。
0 X& u" [) _' }' E
- k; N2 G3 I: p! X" @+ F; V! N; h/ j
2、运放在电压比较器中的应用
8 i/ \! W. a& E* K2 X! g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。: t. S: [' X5 Z! m
  l! V& O- B: ~
该电路实际上是过零比较器和深度放大电路的结合。7 |& ^+ m; b& ]2 W8 S( n

6 Z  q  c* x/ u9 j; u! B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。
2 V5 k% n: G. I- d- m- N) j
7 k& |( ]% ?6 \8 ~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。
* _; b. z/ x0 f' z2 N- C5 X! _  `- B8 o5 N0 f
& ]$ ~+ C  p# c% S  E( T2 q; @4 T) \) c
3、恒流源电路的设计
! [8 o! U" Q/ Z* i, k: A如图所示,恒流原理分析过程如下:
2 X2 f1 P7 }9 }, @4 F, S* P% a& r3 s& V" ^7 e

2 g! t' V, Z: f6 D: WU5B(上图中下边的运放)为电压跟随器,故V1=V4;
) h5 T( C5 s& O5 U  u) i) P
- `' o3 Y% t# A1 `( H, s4 r! A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;2 @1 n- T6 f* c( q
有以上等式组合运算得:2 y: g) T& c# F  a1 ?9 @* o( l

" [7 c* `! {. y! e6 N+ O4 V8 }: U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。; d' Y0 H- k8 m% y4 I
7 l  N, c5 u) z% Q( ?* {
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。
: }/ G8 q/ c' I# |6 y1 M" H. d5 F4 t. U
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。
9 B, L6 u7 u" N; p* c  y) x
9 z- |) G6 E/ G  j( u/ {# A& h3 H3 ^* }

! M" u! m$ @# g: c% c; |* [) J- x* r3 q" E4 E7 g! V
4、整流电路中的应用
/ F( ~2 ^' u$ X* K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。4 T" q$ |8 Z. u1 Q5 }( M1 P
" n2 t7 C) f# P3 d

8 z. I" B' }2 K2 j6 Z" E& J. k) m9 |9 H9 M7 |: [
5、热电阻测量电路
4 K; h2 H; d" j- C
0 s8 K  s+ Y2 i) v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。0 p! t& l& O% n- T: ~
/ I! \( t% y+ C" ~; x1 N/ r
8 Y) |0 Q% B+ Q# W2 g
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3 r, I7 ~% H7 ~' R$ z
& w8 p- j& O- J$ {6 P& i1 ^
( Z$ i, [2 }2 \6 o& [( m
6、电压跟随器- P4 u/ ?# f* A7 m
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。% j5 e- f% r( M. r5 w9 u9 P9 V: U& t
1 z- J7 t& T+ f( N9 I7 S" y+ g

. {" A4 A! E: C6 ]4 e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。7 ^+ U+ Z9 x5 j
. o& Z1 e$ e0 U/ Y6 ]/ i
* O0 h, K: Q1 k3 S. \- V
7、单电源的应用7 s% A; I( g: |2 Q) E5 V9 j1 G
/ N  W1 V. Q! F, H% q1 y2 q* U3 {
8 H$ `" f/ n2 o, Q. _9 {& u
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。
/ X/ w& f* }! P7 E2 Q# Z5 H" j0 W
首先我们运用运放跟随电路,实现一个VCC/2的分压:& l7 n! L+ K6 _

4 K" h: }" j4 ]4 {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。
$ p; i1 u0 N( F: P
; f* D* Z* q9 e. V( ?. |" i" Y获得+VCC/2后,我们可以用单电源实现信号放大功能,如下图:
/ f' P! y% O6 U" h( u: }3 Y9 Y' H9 ?
该电路中 R66=R67//R68, 信号的输出增益G=-R67/R68 。
& L: P; U# I2 I) C
9 r) I: o, I8 D- t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
( Q4 C- l1 U+ }" `, J9 ?附:运放的应用要点
, K' C( w, P& ]0 x来源:网络
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