对运算放大器七种主要应用电路设计的详细说明

运算放大器的基本分析方法:虚拟开路、虚拟短路。对于不熟悉的运算放大器应用电路,可以使用这种基本分析方法。

运算放大器是应用广泛的器件。当连接到合适的反馈网络时,它们可以用作精密交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器和电压比较器。

  1. 运算放大器在有源滤波中的应用
图像3

上图所示为典型的有源滤波器电路(Saron-Kayl电路,一种巴特沃斯电路)。有源滤波的优点在于,它可以使高于截止频率的信号更快地衰减,并且滤波特性不需要高电容和高电阻。

该电路的设计要点是:在满足合适截止频率的前提下,电阻R233和R230的值应尽可能保持一致,电容C50和C201的值也应保持一致(当两级RC电路的电阻和电容值相等时,称为Saron-Kayl电路),以便在满足滤波性能的前提下,对器件类型进行标准化。其中,电阻R280的作用是防止输入端悬空,从而避免运算放大器输出异常。

用于滤波的三种最常用的二阶有源低通滤波器电路是:巴特沃斯滤波器、单调递减滤波器、平坦且曲线最平滑的滤波器;

巴特沃斯低通滤波中最常用的是萨龙-凯尔电路,即模拟电路。

对于滤波器,你需要知道它的截止频率,或者你可以写出它的传递函数和频率响应。

如果滤波器还具有放大功能,则需要知道滤波器的增益。

图像4

当两级RC电路的电阻和电容值相等时,称为塞伦卡电路。在二阶有源电路中引入负反馈,使输出电压在高频范围内迅速下降。

二阶有源低通滤波器电路的通带增益为 1+Rf/R1,与一阶低通滤波器电路相同;

图像5
图像6
图像7

注意,m 的单位是欧姆,N 的单位是 u。

图像8

因此,截止频率计算结果为:

图像9

切比雪夫噪声,衰减迅速,但通带内有涟漪;

贝塞尔(椭圆)声子的相移与频率成正比,群延迟基本恒定。

2. 运算放大器在电压比较器中的应用

图像10

该电路实际上是过零比较器和深度放大器电路的组合。

输出信号被放大(1+R292/R273)。放大倍数越高,方波的上升沿越陡峭。

该电路中还有一个关键元件电阻值需要注意,即 R275,它决定了方波的上升速度。

3. 恒流源电路的设计

图像11

如图所示,恒流原理分析过程如下:
U5B(上图中下方的运算放大器)是一个电压跟随器,因此 V1=V4;
根据运算放大器的虚短路原理,对于运算放大器 U4A(上图中的上方运算放大器):V3=V5;

图像12

结合以上方程式,我们得到:

图像13

当参考电压 Vref 固定为 1.8V 时,电阻 R30 为 3.6,电流输出恒定为 0.5mA。

这种恒流源电路可用于设计其他电流的恒流源。基本思路是:所有电阻均需使用高精度、阻值一致的电阻。输入参考电压(使用专用参考电压芯片)除以电阻值即可得到输出电流。

然而,在实际应用中,为了保护恒流源电路,通常在输出端串联一个二极管和一个电阻。这样做的好处首先是防止外部干扰进入恒流源电路,造成电路损坏;其次是防止外部负载短路,从而避免损坏恒流源电路。

图像15
图像14

5. 热阻测量电路

图像16

上图所示电路为典型的热敏电阻/热电偶测量电路。其测量原理为:在负载上并联一个1-10mA恒流源,该恒流源会在负载上产生一定的电压,并对该电压进行主动滤波。滤波后的信号经过调整(放大或衰减)后,最终送至ADC接口。

使用此电路时,请注意在输入端施加保护。TVS 可以并联,但要注意电容对测量精度的影响。当然,在某些低成本情况下,上述电路图可以简化为以下电路。

图像17

在运算放大器的应用中,电压跟随器是一种常见的电路。该电路的优点在于:首先,它可以降低负载对信号源的影响;其次,它可以提高信号的负载承载能力。

图像18

7.单电源的应用
在运算放大器的实际应用中,我们通常使用双电源来保持运算放大器的频率特性。然而,有时在实际应用中,我们可能只有单电源,也能实现运算放大器的正常工作。

首先,我们使用运算放大器跟随器电路来实现 VCC/2 分压器:

图像19

当然,如果要求不高,我们可以直接用电阻分压得到 +VCC/2,但由于电阻分压的特性,其动态响应速度会很慢,所以请谨慎使用。

获得 +VCC/2 后,我们可以使用单个电源实现信号放大功能,如下图所示:

图像20

在这个电路中,R66=R67//R68,信号的输出增益为G=-R67/R68。

具体应用如下图所示:运算放大器由单个 +5V_AD 供电,AD 芯片的电压为 3.3V(由基准电压芯片 REF3033 提供)。3.3V 经电阻分压后进入运算放大器,得到 1.65V,并将其输入到运算放大器的同相输入端。

图像21

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