集成運放使用常識與應用實例

一、 運放選用原則與特殊運放

1.運放選用原則

在選用時：1，有高的性能價格比，一般來說，專用型集成運放性能較好，但價格較高。2，在工程實踐中不能一味地追求高性能，而且專用集成運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，應根據(jù)電路的要求，查找集成運放手冊中的有關參數(shù)，合理的選用。

2.特殊運放

(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)學和空間技術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±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±10A。

二、集成運放外接電阻的選用

1. 阻值范圍

一般集成運放的最大輸出電流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，會增加信號源的負載。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，且電阻會隨溫度和時間變化產(chǎn)生時效誤差，使阻值不穩(wěn)定，影響精度;2,運放的失調(diào)電流II0會在外接高阻值電阻時引起較大的誤差信號。所以，運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用電路中，為簡化電路，可采用單電源(正電源或負電源)供電，將雙電源供電的集成運放改成單電源供電時必須滿足：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，用來設置放大器的靜態(tài)工作點。為獲得最大動態(tài)范圍，通常使同相輸入端靜態(tài)工作點U+=1/2VCC，即

所以取R2=R3。

靜態(tài)時，放大器輸出電壓應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

為了消除集成運放的失調(diào)電壓和失調(diào)電流引起的輸出誤差，以達到零輸入零輸出的要求，必須進行調(diào)零。

(1)對有外接調(diào)零端的集成運放，可通過外接調(diào)零元件進行調(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)當集成運放沒有調(diào)零端時，可采用外加補償電壓的方法進行調(diào)零。它的基本原理是：在集成運放輸入端施加一個補償電壓，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、集成運放電路的消振與保護電路

1.消振

由于集成運放增益很高，易產(chǎn)生自激振蕩(Self excited oscillation)，消除自激振蕩是動態(tài)調(diào)試的重要內(nèi)容。運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)絡進行相位補償(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

按說明接入相位補償元件或相移網(wǎng)絡即可消振(Oscillation elioninating)。但有一些需要進行實際調(diào)試。其調(diào)試電路如圖4.6.8所示。

圖4.6.8 補償電容調(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。當在5腳(補償端)接上補償元件后，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，此時示波器上只顯示一條光線。測量此時的電容值，并換上等值固定電容器，調(diào)試任務完成。

接入RC網(wǎng)絡后，若仍達不到理想消振效果，可再在電源正、負端與地之間分別接上幾十微法和0.01~0.1μF的瓷片電容。

2.電源端保護為了防止電源極性接反而造成運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。當電源極性接反時，VD1、VD2不導通，相當于電源開路。

圖4.6.9 運放電源端保護

3.輸出保護

為了防止集成運放的輸出電壓過高，可用兩只穩(wěn)壓管反向串聯(lián)后，并聯(lián)在負載兩端或并聯(lián)在反饋電阻Rf兩端，如圖4.6.10所示。當輸出電壓 小于穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓UZ時，穩(wěn)壓管不導通，保護電路不工作，當輸出電壓 大于Uz時，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 運放輸出端的保護

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

集成運放輸入端保護端保護電路路圖4.6.11所示。

圖4.6.11 運放輸入端的保護

六、 集成運放應用示例

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，它是利用微細加工工藝技術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電阻并連接成電橋。當力作用在硅膜片上時，膜片產(chǎn)生變形，電橋中兩個橋臂電阻的阻值增大;另外兩個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的輸出用于補償整個電路的失調(diào)電壓。當作用力為0~1500g時，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

在自動控制系統(tǒng)中，往往要求對幾個信號的幅度進行比較，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，不能選通負向峰值電壓。設輸入信號ui1>ui2>ui3>0,則A1外接VD1優(yōu)先導通，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導通，防止當u0為正而ui2、ui3為負時在運放兩輸入端存在過高電壓而使運放內(nèi)部輸入級管子擊穿，起到保護作用。若要實現(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。應用時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)生的電動勢ut與一個與之串聯(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之間關系為

Ut= q/Ct (1)

圖中運放同相輸入端接地，根據(jù)“虛短”、“虛斷”的概念，U+=U-=0，相當于將C短路，消除因C而產(chǎn)生的誤差，集成運放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長時間充電導致集成運放飽和，可在Cf上并聯(lián)電阻Rf，如圖6.5.14b所示。Rf應恒大于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為保護二極管，防止傳感器過載時有較大輸出。