集成運(yùn)放使用常識與應(yīng)用實(shí)例
一、 運(yùn)放選用原則與特殊運(yùn)放
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/185456.htm1.運(yùn)放選用原則
在選用時(shí):1,有高的性能價(jià)格比,一般來說,專用型集成運(yùn)放性能較好,但價(jià)格較高。2,在工程實(shí)踐中不能一味地追求高性能,而且專用集成運(yùn)放僅在某一方面有優(yōu)異性能,而其他性能參數(shù)不高,所以在使用時(shí),應(yīng)根據(jù)電路的要求,查找集成運(yùn)放手冊中的有關(guān)參數(shù),合理的選用。
2.特殊運(yùn)放
(1)高輸入阻抗型
主要用于測量放大器、模擬調(diào)節(jié)器、有源濾波器及采樣保持電路等。輸入阻抗一般在10-E12Ω以上。
(2)低漂移型
主要用于精密測量、精密模擬計(jì)算、自控儀表、人體信息檢測等方面。它們的失調(diào)電壓溫漂一般在0.2~0.6μV/℃ ,Aud≥120dB,KCMR≥110dB。
(3)高速型
該類集成運(yùn)放具有高的單位增益帶寬(一般要求fT>10MHZ)和較高的轉(zhuǎn)換速率(一般要求SR>30V/μs)。它們主要用于D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換、有源濾波器、鎖相環(huán)、高速采樣和保持電路以及視頻放大器等要求輸出對輸入響應(yīng)迅速的地方。
(4)低功耗型
低功耗型一般用于遙感、遙測、生物醫(yī)學(xué)和空間技術(shù)研究等要求能源消耗有限制的場所。
(5)高壓型
一般用于獲取較高的輸出電壓的場合,如典型的3583型,電源電壓達(dá)±150V,UOmax=±140V。
(6)大功率型
用于輸出功率要求大的場合,如LM12,輸出電流達(dá)±10A。
二、集成運(yùn)放外接電阻的選用
1. 阻值范圍
一般集成運(yùn)放的最大輸出電流Iom為(5~10)mA,從圖4.2.1所示反相比例放大電路可知,流過反饋電阻Rf的電流if應(yīng)滿足下列要求:
而uo一般為伏級,故Rf至少取kΩ以上的數(shù)量級。Rf和R1取值太小,會(huì)增加信號源的負(fù)載。如果取用MΩ級,也不合適,其原因有二:1,電阻是有誤差的,阻值越大,絕對誤差越大,且電阻會(huì)隨溫度和時(shí)間變化產(chǎn)生時(shí)效誤差,使阻值不穩(wěn)定,影響精度;2,運(yùn)放的失調(diào)電流II0會(huì)在外接高阻值電阻時(shí)引起較大的誤差信號。所以,運(yùn)放的外接電阻值盡可能配用幾千歐至幾百千歐之間。
2.平衡電阻
應(yīng)使反相和同相輸入端外接直流通路等效電阻平衡。如圖4.2.2中應(yīng)取R2=R1//Rf。
三、單電源交流放大器
在僅需用作放大交流信號的線性應(yīng)用電路中,為簡化電路,可采用單電源(正電源或負(fù)電源)供電,將雙電源供電的集成運(yùn)放改成單電源供電時(shí)必須滿足:U+=U-=U0=1/2UCC如圖4.6.5a所示電路為 A741構(gòu)成反相交流電壓放大器電路。其中R2、R3稱為偏置電阻,用來設(shè)置放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。為獲得最大動(dòng)態(tài)范圍,通常使同相輸入端靜態(tài)工作點(diǎn)U+=1/2VCC,即
所以取R2=R3。
靜態(tài)時(shí),放大器輸出電壓應(yīng)等于同相輸入端電位。
圖中C1、C2為放大器耦合電容。
如圖4.6.5b所示電路為單電源供電自舉式同相交流放大器。該電路接入R4的目的是為了提高放大器的輸入電阻。接入R4后,放大器的輸入電阻為
式中,ric為集成運(yùn)放共模輸入電阻。
R4越大,放大器的輸入電阻越大。
圖4.6.5 單電源交流放大器
a)反相交流放大器 b)自舉式同相交流放大器
四、調(diào)零
為了消除集成運(yùn)放的失調(diào)電壓和失調(diào)電流引起的輸出誤差,以達(dá)到零輸入零輸出的要求,必須進(jìn)行調(diào)零。
(1)對有外接調(diào)零端的集成運(yùn)放,可通過外接調(diào)零元件進(jìn)行調(diào)零。μA741外接調(diào)零元件的調(diào)零電路如圖4.6.6所示。將輸入端接地,調(diào)節(jié)RP使輸出為零。
圖4.6.6 外接調(diào)零元件調(diào)零
(2)當(dāng)集成運(yùn)放沒有調(diào)零端時(shí),可采用外加補(bǔ)償電壓的方法進(jìn)行調(diào)零。它的基本原理是:在集成運(yùn)放輸入端施加一個(gè)補(bǔ)償電壓,以抵消失調(diào)電壓和失調(diào)電流的影響,從而使輸出為零。
五、集成運(yùn)放電路的消振與保護(hù)電路
1.消振
由于集成運(yùn)放增益很高,易產(chǎn)生自激振蕩(Self excited oscillation),消除自激振蕩是動(dòng)態(tài)調(diào)試的重要內(nèi)容。運(yùn)放是高電壓增益的多級直接耦合放大器。信號傳輸過程中產(chǎn)生附加相移。在沒有輸入電壓的情況下,而有一定頻率、一定幅度的輸出電壓,產(chǎn)生自激振蕩,消除自激振蕩的方法是外加電抗元件或RC移相網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位補(bǔ)償(Phase compensating)。高頻自振蕩波形如圖4.6.7所示。
圖4.6.7 高頻自激振蕩波形
按說明接入相位補(bǔ)償元件或相移網(wǎng)絡(luò)即可消振(Oscillation elioninating)。但有一些需要進(jìn)行實(shí)際調(diào)試。其調(diào)試電路如圖4.6.8所示。
圖4.6.8 補(bǔ)償電容調(diào)試電路
首先將輸入端接地,用示波器可觀察輸出端的高頻振蕩波形。當(dāng)在5腳(補(bǔ)償端)接上補(bǔ)償元件后,自振蕩幅度將下降。將電容C由小到大調(diào)節(jié),直到自激振蕩消失,此時(shí)示波器上只顯示一條光線。測量此時(shí)的電容值,并換上等值固定電容器,調(diào)試任務(wù)完成。
接入RC網(wǎng)絡(luò)后,若仍達(dá)不到理想消振效果,可再在電源正、負(fù)端與地之間分別接上幾十微法和0.01~0.1μF的瓷片電容。
2.電源端保護(hù)為了防止電源極性接反而造成運(yùn)算放大器組件的損壞,可以利用二極管的單向?qū)щ娦栽?,在電源連接線中串接二極管,以阻止電流倒流,如圖 4.6.9所示。當(dāng)電源極性接反時(shí),VD1、VD2不導(dǎo)通,相當(dāng)于電源開路。
圖4.6.9 運(yùn)放電源端保護(hù)
3.輸出保護(hù)
為了防止集成運(yùn)放的輸出電壓過高,可用兩只穩(wěn)壓管反向串聯(lián)后,并聯(lián)在負(fù)載兩端或并聯(lián)在反饋電阻Rf兩端,如圖4.6.10所示。當(dāng)輸出電壓 小于穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓UZ時(shí),穩(wěn)壓管不導(dǎo)通,保護(hù)電路不工作,當(dāng)輸出電壓 大于Uz時(shí),穩(wěn)壓管工作,將輸出端的最大電壓幅度限制在±(UZ+0.7V)。
圖4.6.10 運(yùn)放輸出端的保護(hù)
a)穩(wěn)壓管與輸出端的并聯(lián) b)穩(wěn)壓管與反饋電阻并聯(lián)
4.輸入端保護(hù)
集成運(yùn)放輸入端保護(hù)端保護(hù)電路路圖4.6.11所示。
圖4.6.11 運(yùn)放輸入端的保護(hù)
六、 集成運(yùn)放應(yīng)用示例
1.力傳感器橋式放大器圖4.6.12所示的電路為一個(gè)橋式放大器。圖中的SFG-15N1A為Honeywell公司生產(chǎn)的硅壓阻式力傳感器,它是利用微細(xì)加工工藝技術(shù)在一小塊硅片上加工成硅膜片,并在膜片上用離子注入工藝作了四個(gè)電阻并連接成電橋。當(dāng)力作用在硅膜片上時(shí),膜片產(chǎn)生變形,電橋中兩個(gè)橋臂電阻的阻值增大;另外兩個(gè)橋臂電阻的阻值減小,電橋失去平衡,輸出與作用力成正比的電壓信號(U2-2)。力傳感器由12V電源經(jīng)三個(gè)二極管降壓后(約10V)供電。A1~A3組成測量放大器,其差分輸入端直接與力傳感器2腳、4腳連接。A4的輸出用于補(bǔ)償整個(gè)電路的失調(diào)電壓。當(dāng)作用力為0~1500g時(shí),輸出0~1500 mV (靈敏度為1mV/g).
圖4.6.12 力傳感器橋式放大器
2.峰值檢測電路
在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,往往要求對幾個(gè)信號的幅度進(jìn)行比較,然后加以選擇。選擇其中最高的或最低的作為控制或報(bào)警的對象,分別叫做上限檢測和下限檢測。上限(峰值)檢測電路如圖4.6.13所示。本電路只可選通正向峰值電壓,不能選通負(fù)向峰值電壓。設(shè)輸入信號ui1>ui2>ui3>0,則A1外接VD1優(yōu)先導(dǎo)通,箝位在u0=ui1,VDF1截止。其他兩路u02=ui2,u03=ui3,VD2、VD3反偏截止,隔離u0 、u02輸出。若ui1與ui2、ui3的差值大于二極管的閾值電壓,則VDF2 、VDF3導(dǎo)通,防止當(dāng)u0為正而ui2、ui3為負(fù)時(shí)在運(yùn)放兩輸入端存在過高電壓而使運(yùn)放內(nèi)部輸入級管子擊穿,起到保護(hù)作用。若要實(shí)現(xiàn)下限檢測,將所有二極管極性反接即可。
圖4.6.13 峰值檢測電路
3.電荷放大器
電壓式加速度傳感器、壓電式測力傳感器工作時(shí)產(chǎn)生正比于被測物理量的電荷量,這類傳感器阻抗非常高,呈容性,輸出電壓很微弱。應(yīng)用時(shí)需加接測量電路將電荷量轉(zhuǎn)換成電壓量,這種電路稱之為電荷放大器。
積分運(yùn)算電路就可將電荷量轉(zhuǎn)換成電壓量,組成電荷放電器基本電路如圖4.6.14a所示,傳感器用一因存諸電荷而產(chǎn)生的電動(dòng)勢ut與一個(gè)與之串聯(lián)的輸出電容Ct來等效,C為傳感器對地的雜散電容。Ut、Ct與電容上的電量q之間關(guān)系為
Ut= q/Ct (1)
圖中運(yùn)放同相輸入端接地,根據(jù)“虛短”、“虛斷”的概念,U+=U-=0,相當(dāng)于將C短路,消除因C而產(chǎn)生的誤差,集成運(yùn)放A的輸出電壓(交流信號反向放大器,放大倍數(shù)用阻抗形式表示)。
將上式代人式(1)可得
Uo=-q/Cf
為防止因Ct長時(shí)間充電導(dǎo)致集成運(yùn)放飽和,可在Cf上并聯(lián)電阻Rf,如圖6.5.14b所示。Rf應(yīng)恒大于1/wC 為此,傳感器輸出頻率不能過低,要求
圖4.6.14 電荷放大器
在實(shí)用電路中,為減小傳感器輸出電纜電容對放大電路影響,常將電荷 放大器裝在傳感器內(nèi)。圖中VD1、VD2為保護(hù)二極管,防止傳感器過載時(shí)有較大輸出。
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