集成運(yùn)放使用常識(shí)與應(yīng)用實(shí)例

一、 運(yùn)放選用原則與特殊運(yùn)放

1.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(cè)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(cè)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(cè)量、精密模擬計(jì)算、自控儀表、人體信息檢測(cè)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(duì)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(cè)、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(chǎng)所。

(5)高壓型

一般用于獲取較高的輸出電壓的場(chǎng)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(chǎng)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(jí)，故Rf至少取kΩ以上的數(shù)量級(jí)。Rf和R1取值太小，會(huì)增加信號(hào)源的負(fù)載。如果取用MΩ級(jí)，也不合適，其原因有二：1,電阻是有誤差的，阻值越大，絕對(duì)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(hào)。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(hào)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(duì)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(jí)直接耦合放大器。信號(hào)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(cè)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恚陔娫催B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(hào)(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(cè)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(cè)電路

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，往往要求對(duì)幾個(gè)信號(hào)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(duì)象，分別叫做上限檢測(cè)和下限檢測(cè)。上限(峰值)檢測(cè)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(hào)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(jí)管子擊穿，起到保護(hù)作用。若要實(shí)現(xiàn)下限檢測(cè)，將所有二極管極性反接即可。

圖4.6.13 峰值檢測(cè)電路

3.電荷放大器

電壓式加速度傳感器、壓電式測(cè)力傳感器工作時(shí)產(chǎn)生正比于被測(cè)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(cè)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(shì)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(duì)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(hào)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(duì)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。