电子工程师必备手册(下)--运算放大器设计及应用.pdf

电子工程专辑 —为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析最新工业和科技趋势 运算放大器设计与应用 —电子工程师必备手册 (下 ) 运算放大器设计及应用 --电子工程师必备手册（下） 电子工程专辑 —为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析最新工业和科技趋势 运算放大器设计与应用 —电子工程师必备手册 (下 ) 目录： 一、 运算放大器设计应用经典问答集粹 二、 四类运算放大器的技术发展趋势及其应用热点 电子工程专辑 —为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析最新工业和科技趋势 运算放大器设计与应用 —电子工程师必备手册 (下 ) 一、 运算放大器设计应用经典问答集粹 1. 用运算放大器做正弦波振荡有哪些经典电路 问： 用运算放大器做正弦波振荡器在学校时老师就教过，应该是一个常用的电路现在我做了几款，实际效果都不理想哪位做过，可否透露些经验或成功的电路？ 答： (1) 用以下方法改进波形质量： 选用高品质的电容；对运放的电源进行去耦设计；对震荡器的输出信号进行滤波处理。

(2) 我曾经在铃流源电路中用到一种带有 AGC 电路的文氏电桥振荡器，用来产生 25Hz 的正弦波，如图所示图中使用二极管限幅代替非线性反馈元件，二极管通过对输出电压形成一个软限幅来降低失真文氏电桥或低失真的特性要求有个辅助电路来调节增益，辅助电路包括从在反馈环路内插入的一个非线性元件，到由外部元件构成的自动增益控制（ AGC）回路通过 D1 对正弦波的负半周取样，且所取样存于 C1 中，选择 R1和 R2，必须使 Q1 的偏置定在中心处，使得输出电压为期望值时， （ RG+RQ1） =RF/2当输出电压升高时，Q1 增大电阻，从而使增益降低在上图所示的振荡器中，给运算放大器的正输入端施加 0.833V 电源，使输出的静态电压处在中心位置处（ Vcc/2=2.5V） ，这 里 Q1 多数用的是小信号的 MOSFET 2N7000（ N 沟道， 60V，7.5 欧） ， D1 则选用 1N4148以上供你参考 (3) 为克服 RC 移相振荡器的缺点，常采用 RC 串并联电路作为选频反馈网络的正弦振荡电路，也称为文氏电桥振荡电路，如图 Z0820 所示它由两级共射电路构成的同相放大器和 RC 串并联反馈网络组成。

由于 φA= 0，这就要求 RC 串并联反馈网络对某一频率的相移 φF＝ 2nπ，才能满足振荡的相位平衡条件下面分析 RC 串并联网络的选频特性，再介绍其它有关元件的作用 图 Z0820 中 RC 串并联网络在低、高频时的等效电路如图 Z0821 所示这是因为在频率比较低的情况下，（ 1/ωC） >R，而频率较高的情况下，则（ 1/ωC） =10KOhm 的条件下，能够满足将幅度低于 -1V的低频或直流信号做等幅反向转换或传输这里，不要被单电源运放的名称所迷惑单电源运放依然可以很好地工作在双电源供电的工作环境里不过是因为其比常规 /标准运放具有更宽、更接近 Vcc/Vee 电源端电压的输入 /输出能力与特性，才有此专称，两者的结构本质上相同通用运放性传输范围，依然有很多实际的单电源供电应用楼主在模拟 /仿真 LM358 时，可能将供电设置成正极性单电源的方式，而一般的仿真软件，可能将输入电压条件内置为 Vcc/Vee 电源端电压的范围，输入电压已经超出限度，结果自然不正常从LM358 的 PNP 差分输入结构看， +5V 单电源结构即有可能基本满足（一定条件下）初始的要求；而 CA3140（ http://www.ee.washington.edu/stores/DataSheets/linear/ca3140.pdf）的 PMOS 差分输入结构在单电源条件下，满足要求的可能性更大。

OP-07 运放 +/-5V 也是可正常工作的（ http://www.ortodoxism.ro/datasheets/nationalsemiconductor/OP-07.pdf） 前期分析极为重要，但还得通过实际验证一个反向比例器的验证测试，在面包板上极为便捷若有测量仪器就更为方便与直接（ Tek-577-178,BJ4840） 通过测量，还可评估一下所用仿真工具的智能程度与符合实际的概率 4. 微弱交流信号的提取与放大的问题 问：我的有用信号是 1~100nA 频率 1k~10khz 的交流信号，但是接收信号中又存在 1uA 左右的直流电流，我 电子工程专辑 —为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析最新工业和科技趋势 运算放大器设计与应用 —电子工程师必备手册 (下 ) 应该如何把我要的交流电流提取出来然后放大呢？另外放大部分有什么好的实现方法么？大概 1nA 要转换成10mV 答： (1) 解决问题时，需要提取焦点的 “差异 ”，从而找出解决问题的钥匙这里的关键就是：实现 10M 欧姆跨阻比例器的直流调零关于电路的具体参数设计，有时常与工艺考查紧密相关。

根据经验推算： 4MHz 增益带宽乘积的运放与 10M 欧姆的普通反馈电阻 Rf 实现的跨阻比例器的信号带宽可达到 40KHz因此，对处于频率上限边界的 10KHz 的正弦频率分量，会有 -1.83%的最大频率响应衰减主因就是与 Rf 等效并联的总分布电容 Cf（电阻的封装结构电容 +工艺装配结构电容 --包括运放封装和 PCB 等空间结构电容） 若此结果为不可接受的瓶径，可考虑用两个 5M 欧姆电阻串联成一个 10M 电阻，等效 Cf 约可减半接近 80KHz 的电路带宽产生的最高频响衰减的影响，将减少到约 -0.0335%了运放宜选用 Ib=5uS，它的非推挽的电阻上拉输出结构，运放带宽和运放的反馈电容 C 构成了限制带宽的主要因素验证时，建议先（施加）直流 --便于测量各点工作电压，工作状态正常后再施加交流信号 21. 信号调理方案 问： 我要进行材料应变测量，采用的信号调理方案如下： 一、设计初期，通过低通滤波器，滤波，信号受系统的温度漂移 影响较大无法检测有用的信号 电子工程专辑 —为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析最新工业和科技趋势 运算放大器设计与应用 —电子工程师必备手册 (下 ) 二、由于电桥输出电压大约 5 毫伏（ 0~100HZ） ，采用 AD620 前置放大，用 MAX038 提供方波参考信号，通过乘法器 AD534 将被测信号调制成 10K 的交流信号，交流放大（ AD620） ，通过带通滤波器 MAX275 滤除高次谐波，最后进行相敏检波。

同时，我还用铁丝网将电路板屏蔽（屏蔽网接地）起来但是，输出信号不稳定，达不到测量精度 第一个方案，已被否决，现在请各位高手指点第二方案的问题出在哪里，是否还有其他的方案？ 答： 电桥输出 5 毫伏信号，按理说不算太小 ,直接用仪器放大器，不用交流调制，也应可以以下几点可注意， a.电源需要很稳，波纹系数要小 b.第一级放大不要太大，小于 100 吧，然后再加第二级放大 c.先把第一级放大后的信号质量搞好，再看后面的电路对于这样的信号，在电路侧信号两端并一个高质 (漏电小 )的几 uF的无极性的电容会有很大好处第一级输出信号可以有些噪声，但不应漂移经过第二级带有低通放大后，噪声就会改善你现在的问题可能发生在第一级 22. 电荷放大器的零漂问题 问： 压电加速度传感器一般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？ 我的加速度传感器量程大约在 30000g 左右，被测信号频率在 30kHz 以下；压电传感器和电荷放大器连接后，静态时（传感器未受冲击）电荷放大器的归零非常好，当传感器受到冲击后会产生零漂，按您说的调节反馈电阻的方法有一些作用，我想知道调节反馈电阻这种方法有没有定量的推导？ 答： (1) 有几种几种可能性会导致零漂： a、反馈电容 ESR 特性不好，随电荷量的变化而变化。

b、 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方亏电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点 c、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 (2) 不知道你所说的不归零是怎样一个具体的情况， 你的输入信号的频率多高？ 静态时能归零吗？ 也许你应该把示波器观察到的波形贴上来才好分析 电荷灵敏放大器跨接在放大器两端的电容准确叫法是“积分电容”而不是“反馈电容” ，它的 ESR 并不会随着电荷的多少而发生显著的改变毫无疑问，积分电容上的电荷应该有泄放通道，通常简单起见可以并联一个高阻值的电阻，但会恶化噪声特性 发生不归零，可能的情况可以是： a、输入信号频率太高，造成积分器电荷堆积，因为积分器放电需要一定时间尝试降低输入信号频率试一下看能否改善，如果是这个原因，可以降低反馈电阻的值应该能改善 b、积分器的静态偏置有问题，比如没有考虑失调电流 Ioffset，失调电压 Voffset 的影响可以接上传感器但是使传感器处于无信号输出状态，观察放大器输出是否归零 不归零还可能 (3) 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：a、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。

b、采用同步检测电路结构，可以有效消除 offset 电压 (4) 电荷放大器的零漂主要来自输入电路的失调电压、失调电流及输入反馈电阻，当信号频率趋于 0 时，漂移干扰源 eN 与输出漂移 eO 之间有如下关系： eO/eN＝ 1＋（ gt＋ gc＋ gi） /gf 其中 gt、 gc、 gi、 gf 分别为传感器、传输电缆，信号输入端的电导及反馈电阻的电导由此可以看出：为了使输出漂移小，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，根据 fL＝ 电子工程专辑 —为亚洲及中国的电子工程师社群提供及分析最新工业和科技趋势 运算放大器设计与应用 —电子工程师必备手册 (下 ) 1/2PI*Rf*Cf,又会影响到放大器的频率下限所以必须综合考虑 23. 音频电路开关机冲击声的解决 问： 一些音频设备在开关机常有 “啪 ”的冲击噪声， 请教专家这种噪声产生原因是否与音频放大电路有关系？克服这类的问题有没有什么可行的办法？ 答： (1) 通过音频功放的软启动即可解决 (2) 通常是开机瞬间功放电路的偏置电路尚未完全建立， 造成的瞬态冲击电流对扬声器的冲击所产生。

解决的办法： a 是调整各级偏置的时间常数； b 是增加延时开通输出的电路； c 是让功放电路的偏置电压缓慢上升 (3) 这是由于电源噪声导致音频性能变差 故应采用独立稳压块为音频部分单独供电， 以保证电源质量 另外，音频在需要时方可允许输出有些音频 IC 有一个 SHUTDOWN 或者 MUTE 引脚，可以实现该控制功能如果没有这一控制引脚，则需要增加额外的电平开关电路来控制音频信号同时，在程序设计时有一个使能的时机问题，上电时应适当延迟后再打开，以避免串入音频电路的令人讨厌的电源噪声，一般延迟 1。