電子論文集成運(yùn)放電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤

所屬分類：電子論文閱讀次時(shí)間：2017-05-25 17:19

本文摘要：若對(duì)集成運(yùn)放的電源供電條件和集成運(yùn)放的相關(guān)參數(shù)了解不夠，這篇電子論文認(rèn)為電路設(shè)計(jì)容易出錯(cuò)或電路指標(biāo)不理想。設(shè)計(jì)單電源供電的AC放大器時(shí)，應(yīng)將直流工作平移至電源電壓的一半，設(shè)計(jì)DC放大器時(shí)，應(yīng)采用低輸入失調(diào)電壓的集成運(yùn)放。《中國(guó)集成電路》(月

　　若對(duì)集成運(yùn)放的電源供電條件和集成運(yùn)放的相關(guān)參數(shù)了解不夠，這篇電子論文認(rèn)為電路設(shè)計(jì)容易出錯(cuò)或電路指標(biāo)不理想。設(shè)計(jì)單電源供電的AC放大器時(shí)，應(yīng)將直流工作平移至電源電壓的一半，設(shè)計(jì)DC放大器時(shí)，應(yīng)采用低輸入失調(diào)電壓的集成運(yùn)放。《中國(guó)集成電路》(月刊)創(chuàng)刊于1992年，是由中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部主管，中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)/集成電路設(shè)計(jì)分會(huì)主辦的全國(guó)性專業(yè)電子刊物。自創(chuàng)刊以來，一直致力于IC市場(chǎng)應(yīng)用分析，介紹先進(jìn)的IC設(shè)計(jì)、制造、封裝工藝和技術(shù)以及先進(jìn)的組織形式和管理經(jīng)驗(yàn)。在業(yè)界形成了一定影響和良好口碑，并隨中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)一同成長(zhǎng)。

　　【摘要】針對(duì)電子技術(shù)初學(xué)者，以AC放大器的電路設(shè)計(jì)為例，介紹單電源供電條件下的集成運(yùn)放電路設(shè)計(jì)的典型錯(cuò)誤，以DC放大器的電路設(shè)計(jì)為例，介紹集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓指標(biāo)如何決定電路設(shè)計(jì)成敗，給出具體電路和問題解決方法。

　　【關(guān)鍵詞】集成運(yùn)放;AC放大器;DC放大器

　　1前言

　　集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放)具有功能強(qiáng)、易用諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于音頻電壓放大、儀表信號(hào)放大、信號(hào)濾波等場(chǎng)合，其已成為電子電路尤其是模擬電路的標(biāo)準(zhǔn)器件，也是模擬電子技術(shù)課程教學(xué)的主要內(nèi)容之一。為了使入門者更容易理解集成運(yùn)放的工作原理和更容易解釋集成運(yùn)放電路，在教學(xué)中常使用集成運(yùn)放的理想運(yùn)放模型，如視輸入阻抗無窮大、輸出阻抗為零、開環(huán)電壓增益無窮大和零輸入失調(diào)電壓。在DC放大器設(shè)計(jì)中，集成運(yùn)放的零輸入失調(diào)電壓參數(shù)對(duì)電路設(shè)計(jì)影響很大，同一電路設(shè)計(jì)，因選擇不同的集成運(yùn)放，所得結(jié)果差異巨大，甚至電路完全不能工作。傳統(tǒng)運(yùn)放電路，通常隱藏公用電源腳，且默認(rèn)為正負(fù)對(duì)稱雙電源供電，而當(dāng)前，隨著電子產(chǎn)品小型化趨勢(shì)到來，很多場(chǎng)合并不能提供正負(fù)對(duì)稱雙電源，而只能提供單電源，由于很多初學(xué)者對(duì)集成運(yùn)放電源的供電認(rèn)識(shí)模糊，在設(shè)計(jì)單電源供電的AC放大器時(shí)，不對(duì)電路進(jìn)行相關(guān)改造，而是直接用單電源代替雙電源，導(dǎo)致電路工作不正常。

　　2AC放大器設(shè)計(jì)錯(cuò)誤分析

　　圖1為典型的AC放大器，電路采用LM358集成運(yùn)放，采用正負(fù)對(duì)稱的雙電源供電，交流信號(hào)的電壓放大倍數(shù)AV=1+R2/R3=23，輸入阻抗Ri=R1=1K。C1為耦合電容，隔掉信號(hào)源中的直流成份，C2對(duì)直流開路，使直流電壓產(chǎn)生100%負(fù)反饋，從而穩(wěn)定直流工作點(diǎn)，C2對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于短路，從而不影響交流信號(hào)的電壓放大倍數(shù)。無信號(hào)輸入時(shí)，正相輸入端、反相輸入和輸出端的直流電壓都約為0V，有信號(hào)時(shí)，輸出端電壓在0V基礎(chǔ)上變化。不少塊合，如電池供電時(shí)，無法提供正負(fù)對(duì)稱的雙電源，不少初學(xué)者由于對(duì)集成運(yùn)放的供電和集成運(yùn)放電路的直流工作點(diǎn)認(rèn)識(shí)模糊，在設(shè)計(jì)AC放大器時(shí)，直接用單電源代替雙電源，設(shè)計(jì)電路如圖2所示。圖2電路，無信號(hào)輸入時(shí)，正相輸入端、反相輸入和輸出端的直流電壓都約為0V，而當(dāng)有交流信號(hào)輸入時(shí)，輸入信號(hào)為正極性時(shí)，輸出端可以輸出放大后的正極性電壓，而輸入信號(hào)為負(fù)極性時(shí)，輸出端不可能輸出負(fù)極性電壓，導(dǎo)致產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。單電源供電條件下，正確的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3電路增加了電阻R4、R5和電容C3、C4，電阻R4和R5阻值相等，提供7.5V直流電壓給集成運(yùn)放的正相輸入端，從而使集成運(yùn)放的正相輸入端、反相輸入端和輸出端的直流電壓都提升至7.5V。當(dāng)輸入交流信號(hào)時(shí)，輸出端電壓就可以在7.5V基礎(chǔ)上進(jìn)行上下擺動(dòng)，從而完成交流信號(hào)的不失真放大。電容C3為濾波電容，電容C4為輸出耦合電容，起到隔直通交作用。

　　3DC放大器設(shè)計(jì)錯(cuò)誤分析

　　DC放大器大量應(yīng)用于傳感器信號(hào)放大和自動(dòng)控制場(chǎng)合，圖4為一典型的60dB電壓增益的DC放大器，電路包括兩級(jí)電壓放大，每級(jí)電壓放大倍數(shù)為34倍。仿真測(cè)試時(shí)，若選擇理想集成運(yùn)放模型，零輸入時(shí)(輸入端短路)，輸出端電壓為0V，1mV輸入時(shí)，輸出1V，電路實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求;若選擇常用LM358集成運(yùn)放，仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)，零輸入時(shí)，輸出端電壓3.22V，發(fā)生了嚴(yán)重偏離，電路完全不可用。其實(shí)，真實(shí)的集成運(yùn)放所組成的DC放大器，零輸入時(shí)，輸出端不可能零輸出，輸出電壓為:VO=Vios×Avd其中，Vios為集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓參數(shù)，Avd為放大器閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。不同的集成運(yùn)放，其輸入失調(diào)電壓參數(shù)相差甚遠(yuǎn)，理想運(yùn)放，視輸入失調(diào)電壓為零，因此，采用理想運(yùn)放的DC放大器，零輸入時(shí)，可實(shí)現(xiàn)零輸出。而常用的LM358運(yùn)放，其輸入失調(diào)電壓達(dá)mV級(jí)別，因此，60dB電壓增益的DC放大器，其輸出誤差可達(dá)數(shù)V之大。解決辦法是選擇低輸入失調(diào)電壓的集成運(yùn)放，如OP07，其輸入失調(diào)電壓低至幾nV，用在本電路，輸出端誤差能控制在毫伏級(jí)別。