集成运放使用常识与应用实例,硬件工程师必学-凡亿课堂

一、运放选用原则与特殊运放1.运放选用原则在选用时：

1，有高的性能价格比，一般来说，专用型集成运放性能较好，但价格较高。
2，在工程实践中不能一味地追求高性能，而且专用集成运放仅在某一方面有优异性能，而其他性能参数不高，所以在使用时，应根据电路的要求，查找集成运放手册中的有关参数，合理的选用。

2.特殊运放(1)高输入阻抗型主要用于测量放大器、模拟调节器、有源滤波器及采样保持电路等。输入阻抗一般在10-E12Ω以上。
(2)低漂移型主要用于精密测量、精密模拟计算、自控仪表、人体信息检测等方面。它们的失调电压温漂一般在0.2~0.6μV/℃ ,Aud≥120dB，KCMR≥110dB。
(3)高速型该类集成运放具有高的单位增益带宽(一般要求fT>10MHZ)和较高的转换速率(一般要求SR>30V/μs)。它们主要用于D/A转换和A/D转换、有源滤波器、锁相环、高速采样和保持电路以及视频放大器等要求输出对输入响应迅速的地方。
(4)低功耗型低功耗型一般用于遥感、遥测、生物医学和空间技术研究等要求能源消耗有限制的场所。
(5)高压型一般用于获取较高的输出电压的场合，如典型的3583型，电源电压达±150V，UOmax=±140V。
(6)大功率型用于输出功率要求大的场合，如LM12，输出电流达±10A。
二、集成运放外接电阻的选用1. 阻值范围一般集成运放的最大输出电流Iom为(5~10)mA，从图4.2.1所示反相比例放大电路可知，流过反馈电阻Rf的电流if应满足下列要求：

而uo一般为伏级，故Rf至少取kΩ以上的数量级。Rf和R1取值太小，会增加信号源的负载。如果取用MΩ级，也不合适，其原因有二：1,电阻是有误差的，阻值越大，绝对误差越大，且电阻会随温度和时间变化产生时效误差，使阻值不稳定，影响精度;2,运放的失调电流II0会在外接高阻值电阻时引起较大的误差信号。所以，运放的外接电阻值尽可能配用几千欧至几百千欧之间。
2.平衡电阻应使反相和同相输入端外接直流通路等效电阻平衡。
三、单电源交流放大器在仅需用作放大交流信号的线性应用电路中，为简化电路，可采用单电源(正电源或负电源)供电，将双电源供电的集成运放改成单电源供电时必须满足：U+=U-=U0=1/2UCC如图4.6.5a所示电路为 A741构成反相交流电压放大器电路。其中R2、R3称为偏置电阻，用来设置放大器的静态工作点。为获得最大动态范围，通常使同相输入端静态工作点U+=1/2VCC，即

所以取R2=R3。静态时，放大器输出电压应等于同相输入端电位。图中C1、C2为放大器耦合电容。如图4.6.5b所示电路为单电源供电自举式同相交流放大器。该电路接入R4的目的是为了提高放大器的输入电阻。接入R4后，放大器的输入电阻为

式中，ric为集成运放共模输入电阻。R4越大，放大器的输入电阻越大。

图4.6.5 单电源交流放大器

a)反相交流放大器 b)自举式同相交流放大器
四、调零为了消除集成运放的失调电压和失调电流引起的输出误差，以达到零输入零输出的要求，必须进行调零。(1)对有外接调零端的集成运放，可通过外接调零元件进行调零。μA741外接调零元件的调零电路如图4.6.6所示。将输入端接地，调节RP使输出为零。

图4.6.6 外接调零元件调零(2)当集成运放没有调零端时，可采用外加补偿电压的方法进行调零。它的基本原理是：在集成运放输入端施加一个补偿电压，以抵消失调电压和失调电流的影响，从而使输出为零。
五、集成运放电路的消振与保护电路1.消振由于集成运放增益很高，易产生自激振荡(Self excited oscillation)，消除自激振荡是动态调试的重要内容。运放是高电压增益的多级直接耦合放大器。信号传输过程中产生附加相移。在没有输入电压的情况下，而有一定频率、一定幅度的输出电压，产生自激振荡，消除自激振荡的方法是外加电抗元件或RC移相网络进行相位补偿(Phase compensating)。高频自振荡波形如图4.6.7所示。

图4.6.7 高频自激振荡波形按说明接入相位补偿元件或相移网络即可消振(Oscillation elioninating)。但有一些需要进行实际调试。其调试电路如图4.6.8所示。

图4.6.8 补偿电容调试电路首先将输入端接地，用示波器可观察输出端的高频振荡波形。当在5脚(补偿端)接上补偿元件后，自振荡幅度将下降。将电容C由小到大调节，直到自激振荡消失，此时示波器上只显示一条光线。测量此时的电容值，并换上等值固定电容器，调试任务完成。
接入RC网络后，若仍达不到理想消振效果，可再在电源正、负端与地之间分别接上几十微法和0.01~0.1μF的瓷片电容。
2.电源端保护为了防止电源极性接反而造成运算放大器组件的损坏，可以利用二极管的单向导电性原理，在电源连接线中串接二极管，以阻止电流倒流，如图 4.6.9所示。当电源极性接反时，VD1、VD2不导通，相当于电源开路。

图4.6.9 运放电源端保护3.输出保护为了防止集成运放的输出电压过高，可用两只稳压管反向串联后，并联在负载两端或并联在反馈电阻Rf两端，如图4.6.10所示。当输出电压小于稳压管稳定电压UZ时，稳压管不导通，保护电路不工作，当输出电压大于Uz时，稳压管工作，将输出端的最大电压幅度限制在±(UZ+0.7V)。

图4.6.10 运放输出端的保护a)稳压管与输出端的并联 b)稳压管与反馈电阻并联
4.输入端保护集成运放输入端保护端保护电路路图4.6.11所示。

图4.6.11 运放输入端的保护
六、集成运放应用示例1.力传感器桥式放大器图4.6.12所示的电路为一个桥式放大器。图中的SFG-15N1A为Honeywell公司生产的硅压阻式力传感器，它是利用微细加工工艺技术在一小块硅片上加工成硅膜片，并在膜片上用离子注入工艺作了四个电阻并连接成电桥。当力作用在硅膜片上时，膜片产生变形，电桥中两个桥臂电阻的阻值增大;另外两个桥臂电阻的阻值减小，电桥失去平衡，输出与作用力成正比的电压信号(U2-2)。力传感器由12V电源经三个二极管降压后(约10V)供电。A1~A3组成测量放大器，其差分输入端直接与力传感器2脚、4脚连接。A4的输出用于补偿整个电路的失调电压。当作用力为0~1500g时，输出0~1500 mV (灵敏度为1mV/g).

图4.6.12 力传感器桥式放大器2.峰值检测电路在自动控制系统中，往往要求对几个信号的幅度进行比较，然后加以选择。选择其中最高的或最低的作为控制或报警的对象，分别叫做上限检测和下限检测。
上限(峰值)检测电路如图4.6.13所示。本电路只可选通正向峰值电压，不能选通负向峰值电压。设输入信号ui1>ui2>ui3>0,则A1外接VD1优先导通，箝位在u0=ui1,VDF1截止。其他两路u02=ui2,u03=ui3,VD2、VD3反偏截止，隔离u0 、u02输出。若ui1与ui2、ui3的差值大于二极管的阈值电压，则VDF2 、VDF3导通，防止当u0为正而ui2、ui3为负时在运放两输入端存在过高电压而使运放内部输入级管子击穿，起到保护作用。若要实现下限检测，将所有二极管极性反接即可。

图4.6.13 峰值检测电路3.电荷放大器电压式加速度传感器、压电式测力传感器工作时产生正比于被测物理量的电荷量，这类传感器阻抗非常高，呈容性，输出电压很微弱。应用时需加接测量电路将电荷量转换成电压量，这种电路称之为电荷放大器。
积分运算电路就可将电荷量转换成电压量，组成电荷放电器基本电路如图4.6.14a所示，传感器用一因存诸电荷而产生的电动势ut与一个与之串联的输出电容Ct来等效，C为传感器对地的杂散电容。Ut、Ct与电容上的电量q之间关系为Ut= q/Ct (1)图中运放同相输入端接地，根据“虚短”、“虚断”的概念，U+=U-=0，相当于将C短路，消除因C而产生的误差，集成运放A的输出电压(交流信号反向放大器，放大倍数用阻抗形式表示)。