运算放大器应用设计的几个技巧.PDF

运算放大器应用设计的几个技巧 运算放大器在电路中发挥重要的作用，其应用已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个 领域，并将在支持未来技术方面扮演重要角色。在运算放大器的实际应用中，设计工程师经 常遇到诸如选型、供电电路设计、偏置电路设计、PCB 设计等方面的问题。在电子工程专 辑网站举行的《运算放大器应用设计》专题讨论中，圣邦微电子有限公司总裁张世龙先生应 邀回答与工程师进行互动。我们也基于此专题讨论，总结出了运算放大器应用设计的几个技 巧，以飨读者。 一、如何实现微弱信号放大？ 传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个 典型的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？张世龙指出， 对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果，必须使用一些较特别的方法和传 感器激励手段，而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类 似于锁相放大器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。他 表示，需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选 用双路的SPDT 模拟开关。 另有工程师朋友建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择高阻抗、 低噪声运算和低噪声电阻。有网友对这类问题的解决也进行了补充，如网友“1sword”建议： 1)电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国家半导体、 BB( 已被TI 收购) 、ADI 等公司关于运放的设计手册中均可以查到。 2)推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具) ，金属体接电路地，可以大 大改善电路抗干扰能力。 3)对于传感器输出的nA 级，选择输入电流pA 级的运放即可。如果对速度没有多大的 要求，运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些。 4)若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M 欧级好一些。否则对电阻要求比较高。 后级再进行2 级放大，中间加入简单的高通电路，抑制50Hz 干扰。 二、运算放大器的偏置设置 在双电源运放在接成单电源电路时，工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难 选择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好？有的网友建议用参考 电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁路，有的网友建议用电阻，理由是成本 低而且方便，对此，张世龙没有特别指出用何种方式，只是强调双电源运放改成单电源电路 时，如果采用基准电压的话，效果最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的 PSRR 。但若采用电阻分压方式，必须考虑电源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高， PSRR 比较低。 三、 如何解决运算放大器的零漂问题？ 有网友指出，一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可 是在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生，如何解决这个问 题？ 对此，网友“Frank ”分析道，有几种可能性会导致零漂：1)反馈电容ESR 特性不好， 随电荷量的变化而变化；2)反馈电容两端未并上电阻，为了放大器的工作稳定，减少零漂， 在反馈电容两端并上电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点；3)可能挑选的运 算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂。 网友“camel ”和“windman ”还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析， 认为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放的开环输入阻抗要高、 运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电阻 太小的话，也会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑！ 而嘉宾张世龙则建议，对于电荷放大器输出电压不归零的现象，一般采用如下办法来解 决： 1)采用开关电容电路的技巧，使用CDS 采样方式可以有效消除offset 电压； 2)采用同步检测电路结构，可以有效消除offset 电压。 名词解释： * 什么是运算放大器？ 运算放大器(简称“运放”)是调节和放大模拟信号的器件，多用于做模拟运算的放大器, 主 要的特点是差分输入/单端输出/直流耦合/输入输出工作点都在 0V 等特点, 除了功率运放外 一般不要求输出大的功率.。常见的应用包括数字示波器和自动测试装置、视频和图像计算 机板卡、医