|
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)等各個領(lǐng)域，并將在支持未來技術(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)計工程師經(jīng)常遇到諸如選型、供電電路設(shè)計、偏置電路設(shè)計、PCB設(shè)計等方面的問題。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》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。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)計的幾個技巧，以饗讀者。
/ J; u& J2 u b( K( W H8 ?& e2 T9 n. C# R8 x, ]
一、如何實(shí)現(xiàn)微弱信號放大？3 {' @' F( K7 @
( D q; q0 R3 C% O/ s2 k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，一個典型的問題是傳感器提供的電流非常低，在這種情況下，如何完成信號放大？張世龍指出，對于微弱信號的放大，只用單個放大器難以達(dá)到好的效果，必須使用一些較特別的方法和傳感器激勵手段，而使用同步檢測電路結(jié)構(gòu)可以得到非常好的測量效果。這種同步檢測電路類似于鎖相放大器結(jié)構(gòu)，包括傳感器的方波激勵，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)。9 c6 O7 _ x8 s& w" p6 ~
6 g* w4 P- K! s& V1 G; s" U
另有工程師朋友建議，在運(yùn)放、電容、電阻的選擇和布板時，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)友對這類問題的解決也進(jìn)行了補(bǔ)充，如網(wǎng)友“1sword”建議：" B/ `5 ?5 J# r
w, t& P! M/ l8 N( ?; a
1)電路設(shè)計時注意平衡的處理，盡量平衡，對于抑制干擾有效，這些在美國國家半導(dǎo)體、BB(已被TI收購)、ADI等公司關(guān)于運(yùn)放的設(shè)計手冊中均可以查到。
; C+ F% x8 k5 l5 K8 x
/ v6 q* y* B: [2)推薦加金屬屏蔽罩，將微弱信號部分罩起來(開個小模具)，金屬體接電路地，可以大大改善電路抗干擾能力。
B1 i! t& s6 k1 |1 s
U/ X& `% p4 r' I3 }6 I+ n* g3)對于傳感器輸出的nA?級，選擇輸入電流pA?級的運(yùn)放即可。如果對速度沒有多大的要求，運(yùn)放也不貴。儀表放大器當(dāng)然最好了，就是成本高些。* N4 e) _8 _8 Q0 N7 {
$ W+ J* ?# |: j
4)若選用非儀表運(yùn)放，反饋電阻就不要太大了，M歐級好一些。否則對電阻要求比較高。后級再進(jìn)行2級放大，中間加入簡單的高通電路，抑制50Hz干擾。
s: h4 @1 B. o% c& W' w6 y& `7 X- x; M' S2 Y
二、運(yùn)算放大器的偏置設(shè)置% ]; Z2 j7 `2 Q' i- n i* n! O
9 z, R% I5 B) M' z; }在雙電源運(yùn)放在接成單電源電路時，工程師朋友在偏置電壓的設(shè)置方面會遇到一些兩難選擇，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，對此，張世龍沒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，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系統(tǒng)的影響，這種用法噪聲比較高，PSRR比較低。
& K2 l5 L/ _$ j: n2 b6 |6 t$ w4 s! e9 O; ?" [4 Z( Z
三、 如何解決運(yùn)算放大器的零漂問題？+ |1 ]7 s9 I2 E1 A* y2 v
* q6 ?: t+ x+ `1 @- V# B
有網(wǎng)友指出，一般壓電加速度傳感器會接一級電荷放大器來實(shí)現(xiàn)電荷——電壓轉(zhuǎn)換，可是在傳感器動態(tài)工作時，電荷放大器的輸出電壓會有不歸零的現(xiàn)象發(fā)生，如何解決這個問題？8 z: T+ C6 W% L4 F- y6 o- D
0 h7 S6 v5 z( \- W: ?. o對此，網(wǎng)友“Frank”分析道，有幾種可能性會導(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。
( y+ u# K( a* H9 C* a' R
: ~3 `3 Q* O3 q( l# \4 x+ u網(wǎng)友“camel”和“windman”還從數(shù)學(xué)分析的角度對造成零漂的原因進(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，也會影響到放大器的頻率下限。所以必須綜合考慮！/ q# J, y' G g T; @$ w$ g
! R- P/ l9 W, m& h5 M4 m' d, t$ f
而嘉賓張世龍則建議，對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解決：8 }6 t8 `; P& W' L6 J |& z* \8 A
) L4 L4 ~, C, M
1)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)采用同步檢測電路結(jié)構(gòu)，可以有效消除offset電壓。
! m1 a+ y) w! l0 R! u | 
電子產(chǎn)業(yè)一站式賦能平臺
/1 
窺視卡
置頂卡
變色卡
