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运算放大器的应用及其分类介绍内燃叉车

发布时间:2020-04-09 19:42:19 来源:泰瑞机械网

说到运算放大器,可能普通人都很陌生,但是它所运用的领域却和人们的生活息息相关,作为电路中的重要元器件,它已经在汽车电子、通信、消费等各领域承担起了重要的作用。所谓运算放大器,是指具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。 由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算,故得名“运算放大器”。运算放大器的应用范围很广,它不仅可以用于普通的放大,还可以完成信号的加减乘除等“运算”任务,其在滤波器的设计中也担任着重要的角色,一些速度较快、性能较高的运算放大器还可以完成比较简单的信号比较的任务。对于运算放大器,大家是否想要了解更多呢?下面小编来为大家介绍运算放大器的应用、分类、使用秘籍、应用设计技巧。一起来看看吧!

运算放大器的应用

1、反向比例电路:

反向比例电路如下图所示,输入信号加入反相输入端,同相输入端通过电阻接地;Uo=(-Rf/R1)Ui。

2、同向比例电路:输入信号加入同相输入端,反相输入端通过电阻接地;Uo=(1+Rf/R1)Ui。

3、差动比例电路:输入信号分别加在反相输入端和同相输入端。

(1)R1+Rf R3 Rf;

(2)Uo=-------(Ui2------- - Ui1-------);

(3)R1 R2+R3 R1+Rf;

(4)如果Rf=A*R1,R3=A*R2;

(5)则上面的公式变为:Uo=A*(Ui2-Ui1);

(6)如图所示为差动放大器的失调调零电路。将失调调整电压引入差动放大电路时,应不影响差模信号的平衡。在电路中R3、R5组成高比例分压器.给R2'的右端提供可变电位。进而由R1'和R2'再次分压,在运放的同相输入端得到失调调整电压。一般R5的阻值较小,目的在于提高分压比。为了获得较高的精度,有时为减小引入的共模误差需微调R2',借以保证下式成立。

(7)R2/R1=(R2'+ R5)/R1'.

(8)图中所示电路.其失调电压调整范围由下式决定:

失调电压调整范围=VD(R5/(R3+R5))(R1'/R1'+R2')

(9)按照上图,取VD=15V,失调电压调整范围=±7.5mV

注:原文最后结论为失调电压调整范围=±15mV。个人认为其计算有误。

运算放大器的分类

1、通用型

通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例μA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放)及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

2、高阻型

这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>1GΩ~1TΩ,IB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

3、低温漂型

在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。当前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。

4、高速型

在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、μA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

5、低功耗型

由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为±2V~±18V,消耗电流为50~250μA。目前有的产品功耗已达μW级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。

6、高压大功率型

运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V,μA791集成运放的输出电流可达1A。

7、可编程控制型

在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出,就必须改变运算放大器得放大倍数.例如:有一运算放大器得放大倍数为10倍,输入信号为1mv时,输出电压为10mv,当输入电压为0.1mv时,输出就只有1mv,为了得到10mv就必须改变放大倍数为100。程控运放就是为了解决这一问题而产生的。例如PGA103A,通过控制1,2脚的电平来改变放大的倍数。

运算放大器使用秘籍

1、注意输入电压是否超限

图1-1是ADI的OP07数据表中的输入电气特性的一部分,可以看到在电源电压±15V的条件下,输入电压的范围是±13.5V,如果输入电压超出范围,那么运放就会工作不正常,出现一些意料不到的情况。

而有一些运放标注的不是输入电压范围,而是共模输入电压范围,如图1-2是TI的TLC2272数据表的一部分,在单电源+5V的条件下,共模输入范围是0-3.5V.其实由于运放正常工作时,同相端和反相端输入电压基本是一致的(虚短虚断),所以“输入电压范围”与“共模输入电压范围”都是一样的意思。

2、不要在运放输出直接并接电容

在直流信号放大电路中,有时候为了降低噪声,直接在运放输出并接去耦电容(如图2-1)。虽然放大的是直流信号,但是这样做是很不安全的。当有一个阶跃信号输入或者上电瞬间,运放输出电流会比较大,而且电容会改变环路的相位特性,导致电路自激振荡,这是我们不愿意看到的。正确的去耦电容应该要组成RC电路,就是在运放的输出端先串入一个电阻,然后再并接去耦电容(如图2-2)。这样做可以大大削减运放输出瞬间电流,也不会影响环路的相位特性,可以避免振荡。

3、不要在放大电路反馈回路并接电容

如图3-1所示,同样是一个用于直流信号放大的电路,为了去耦,不小心把电容并接到了反馈回路,反馈信号的相位发生了改变,很容易就会发生振荡。所以,在放大电路中,反馈回路不能加入任何影响信号相位的电路。由此延伸至稳压电源电路,如图3-2,并接在反馈脚的C3是错误的。为了降低纹波,可以把C3与R1并联,适当增大纹波的负反馈作用,抑制输出纹波。

4、注意运放的输出摆幅

任何运放都不可能是理想运放,输出电压都不可能达到电源电压,一般基于MOS的运放都是轨对轨运放,在空载情况下输出可以达到电源电压,但是输出都会带一定的负载,负载越大,输出降落越多。基于三极管的运放输出幅度的相对值更小,有的运放输出幅度比电源电压要小2~6V,比如NE5532.图4-1就是TI的TLC2272在+5V供电的输出特性,它属于轨对轨运放,如果用该器件作为ADC采样的前级放大(如图4-2),单电源+5V供电,那么当输入接近0V的时候,输入和输出变得非线性的了。解决的方法是引入负电源,比如在4脚加入-1V的负电源,这样在整个输入范围内,输出与输入都是线性的了。

5、注意反馈回路的Layout

反馈回路的元器件必须要靠近运放,而且PCB走线要尽量短,同时要尽量避开数字信号、晶振等干扰源。反馈回路的布局布线不合理,则会容易引入噪声,严重会导致自激振荡。

6、要重视电源滤波

运放的电源滤波不容忽视,电源的好坏直接影响输出。特别是对于高速运放,电源纹波对运放输出干扰很大,弄不好就会变成自激振荡。所以最好的运放滤波是在运放的电源脚旁边加一个0.1uF的去耦电容和一个几十uF的钽电容,或者再串接一个小电感或者磁珠,效果会更好。

运算放大器应用设计技巧

一、如何实现微弱信号放大?

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?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。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。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。以下给出几点建议:

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。

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。

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。

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。

二、运算放大器的偏置设置

在双电源运放在接成单电源电路时,有时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?用参考电压源,精度高,此外还能提供较低的交流旁路。用电阻,成本低而且方便。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。

三、 如何解决运算放大器的零漂问题?

举个例子,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?

1、首先分析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。

2、设计时使干扰源漂移小、使缆线电阻大,可以减少零漂。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!此外采用开关电容电路的技巧和采用同步检测电路结构,都可以有效零漂问题。

上述是小编为大家介绍的运算放大器的应用、分类、使用秘籍、应用设计技巧。如今,低功耗、小尺寸系列运算放大器与人们的日常生活密不可分,因为智能手机和平板电脑的普及和快速更新换代,具有超低功耗和占用面积小的特点的低功耗、小尺寸系列运算放大器,在现代通讯技术中,占据了越来越重要的作用,功能分类也日趋明细,包括低功耗、高精度运算放大器,低功耗、高性能运算放大器,低功耗、小尺寸运算放大器等等,理想用于智能手机、平板电脑和便携式医疗设备等应用。高精度、低噪声运算放大器常用于对来自传感器的温度、压力、光等信号在进入模数转换器(ADC)之前进行调理。主要评价指标包括输入失调电压和输入电压噪声这两个运放指标。高压运算放大器适用于输入信号大于10V或±5V、且要求高精度输出的应用,目前最先进的高压运算放大器能够处理高达38V (单电源)或±19V (双电源)的输入信号。而随着工业产品研发和生产的需求,未来可能还会出现其它种类的运算放大器。

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