|
運(yùn)算放大器在電路中發(fā)揮重要的作用，其應(yīng)用已經(jīng)延伸到汽車電子、通信、消費(fèi)等各個(gè)領(lǐng)域，并將在支持未來(lái)技術(shù)方面扮演重要角色。在運(yùn)算放大器的實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常遇到諸如選型、供電電路設(shè)計(jì)、偏置電路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)等方面的問(wèn)題。在電子工程專輯網(wǎng)站舉行的《運(yùn)算放大器應(yīng)用設(shè)計(jì)》專題討論中，圣邦微電子有限公司總裁張世龍先生應(yīng)邀回答與工程師進(jìn)行互動(dòng)。我們也基于此專題討論，總結(jié)出了運(yùn)算放大器應(yīng)用設(shè)計(jì)的幾個(gè)技巧，以饗讀者。
# N: }* @: B6 l4 X+ q+ K0 b. n, y |5 V+ ?
一、如何實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)放大？
+ C ]" E2 }0 G8 i" `* R; z9 e8 r0 p- d7 E/ v
傳感器+運(yùn)算放大器+ADC+處理器是運(yùn)算放大器的典型應(yīng)用電路，在這種應(yīng)用中，一個(gè)典型的問(wèn)題是傳感器提供的電流非常低，在這種情況下，如何完成信號(hào)放大？張世龍指出，對(duì)于微弱信號(hào)的放大，只用單個(gè)放大器難以達(dá)到好的效果，必須使用一些較特別的方法和傳感器激勵(lì)手段，而使用同步檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)可以得到非常好的測(cè)量效果。這種同步檢測(cè)電路類似于鎖相放大器結(jié)構(gòu)，包括傳感器的方波激勵(lì)，電流轉(zhuǎn)電壓放大器，和同步解調(diào)三部分。他表示，需要注意的是電流轉(zhuǎn)電壓放大器需選用輸入偏置電流極低的運(yùn)放。另外同步解調(diào)需選用雙路的SPDT模擬開關(guān)。' O3 o \1 A. `2 Y- z8 V% I& R* M
& Z# q3 Q% `0 M- L. v# v另有工程師朋友建議，在運(yùn)放、電容、電阻的選擇和布板時(shí)，要特別注意選擇高阻抗、低噪聲運(yùn)算和低噪聲電阻。有網(wǎng)友對(duì)這類問(wèn)題的解決也進(jìn)行了補(bǔ)充，如網(wǎng)友“1sword”建議：
H; i4 |- k* @4 u" t, \7 r: |% T
1)電路設(shè)計(jì)時(shí)注意平衡的處理，盡量平衡，對(duì)于抑制干擾有效，這些在美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體、BB(已被TI收購(gòu))、ADI等公司關(guān)于運(yùn)放的設(shè)計(jì)手冊(cè)中均可以查到。
3 N. k; m5 t3 K4 j. ^: ~7 c0 ^$ q
2)推薦加金屬屏蔽罩，將微弱信號(hào)部分罩起來(lái)(開個(gè)小模具)，金屬體接電路地，可以大大改善電路抗干擾能力。; P9 x) ~: p8 H3 T( {
, d1 y9 B: H6 L, g9 [7 [9 P3)對(duì)于傳感器輸出的nA?級(jí)，選擇輸入電流pA?級(jí)的運(yùn)放即可。如果對(duì)速度沒(méi)有多大的要求，運(yùn)放也不貴。儀表放大器當(dāng)然最好了，就是成本高些。4 O/ G7 Z4 \, Y2 A# q
2 A, y- {5 c& m
4)若選用非儀表運(yùn)放，反饋電阻就不要太大了，M歐級(jí)好一些。否則對(duì)電阻要求比較高。后級(jí)再進(jìn)行2級(jí)放大，中間加入簡(jiǎn)單的高通電路，抑制50Hz干擾。, H! d6 Q, b8 S% P9 l$ U4 v
6 }: ]+ H; j8 ^. }二、運(yùn)算放大器的偏置設(shè)置8 b4 U. J( t- W1 K
0 L1 N, G5 i+ B& E: R: }6 R/ I+ C }在雙電源運(yùn)放在接成單電源電路時(shí)，工程師朋友在偏置電壓的設(shè)置方面會(huì)遇到一些兩難選擇，比如作為偏置的直流電壓是用電阻分壓好還是接參考電壓源好？有的網(wǎng)友建議用參考電壓源，理由是精度高，此外還能提供較低的交流旁路，有的網(wǎng)友建議用電阻，理由是成本低而且方便，對(duì)此，張世龍沒(méi)有特別指出用何種方式，只是強(qiáng)調(diào)雙電源運(yùn)放改成單電源電路時(shí)，如果采用基準(zhǔn)電壓的話，效果最好。這種基準(zhǔn)電壓使系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到最小的噪聲和最高的PSRR。但若采用電阻分壓方式，必須考慮電源紋波對(duì)系統(tǒng)的影響，這種用法噪聲比較高，PSRR比較低。* y) o# ?' o* A' w+ `5 u
9 E. @' R9 v0 w
三、 如何解決運(yùn)算放大器的零漂問(wèn)題？! M- J: ?0 {% B7 ]
5 u# y: j; g0 t
有網(wǎng)友指出，一般壓電加速度傳感器會(huì)接一級(jí)電荷放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷——電壓轉(zhuǎn)換，可是在傳感器動(dòng)態(tài)工作時(shí)，電荷放大器的輸出電壓會(huì)有不歸零的現(xiàn)象發(fā)生，如何解決這個(gè)問(wèn)題？
& Q% H- g2 ]! o0 N4 v2 a
4 g# o/ ^- G! `" y; y3 A& y5 {- i對(duì)此，網(wǎng)友“Frank”分析道，有幾種可能性會(huì)導(dǎo)致零漂：1)反饋電容ESR特性不好，隨電荷量的變化而變化；2)反饋電容兩端未并上電阻，為了放大器的工作穩(wěn)定，減少零漂，在反饋電容兩端并上電阻，形成直流負(fù)反饋可以穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn)；3)可能挑選的運(yùn)算放大器的輸入阻抗不夠高，造成電荷泄露，導(dǎo)致零漂。
' _$ q! n/ c% a, a0 d9 C
8 E3 X- c6 F! ?# l# a7 o網(wǎng)友“camel”和“windman”還從數(shù)學(xué)分析的角度對(duì)造成零漂的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，認(rèn)為除了使干擾源漂移小以外還必須使傳感器、纜線電阻要大，運(yùn)放的開環(huán)輸入阻抗要高、運(yùn)放的反饋電阻要小，即反饋電阻的作用是為了防止漂移，穩(wěn)定直流工作點(diǎn)。但是反饋電阻太小的話，也會(huì)影響到放大器的頻率下限。所以必須綜合考慮！
- g5 D% O5 b' Q( c$ M6 Q w& f. I ]/ L R0 G
而嘉賓張世龍則建議，對(duì)于電荷放大器輸出電壓不歸零的現(xiàn)象，一般采用如下辦法來(lái)解決：% e$ N. Q9 _" t; ~" u
0 Z; ]6 J2 W) k1)采用開關(guān)電容電路的技巧，使用CDS采樣方式可以有效消除offset電壓；2)采用同步檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)，可以有效消除offset電壓。
! E5 J2 n" l# l7 `/ g* \& r. e | 
電子產(chǎn)業(yè)一站式賦能平臺(tái)
窺視卡
置頂卡
變色卡
