单电源运算用法全集.docx
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单电源运算用法全集
电源供电和单电源供电
所有的运算放大器都有两个电源引脚,一样在资料中,它们的标识是VCC+和VCC-,可是有些时候它们的标识是VCC+和GND。
这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的不同作为单电源运放和双电源运放的区别。
可是,这并非是说他们就必然要那样利用――他们可能能够工作在其他的电压下。
在运放不是按默许电压供电的时候,需要参考运放的数据手册,专门是绝对最大供电电压和电压摆动说明。
绝大多数的模拟电路设计者都明白怎么在双电源电压的条件下利用运算放大器,比如图一左侧的那个电路,一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。
一样是正负15V,正负12V和正负5V也是常常利用的。
输入电压和输出电压都是参考地给出的,还包括正负电压的摆动幅度极限Vom和最大输出摆幅。
单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。
正电源引脚接到VCC+,地或VCC-引脚连接到GND。
将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上,这时运放的输出电压也是该虚地电压,运放的输出电压以虚地为中心,摆幅在Vom之内。
有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。
这种运放的数据手册中会专门别离指明Voh和Vol。
需要专门注意的是有很多的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压,但在大部份应用中,输入和输出是参考电源地的,因此设计者必需在输入和输出的地址加入隔直电容,用来隔离虚地和地之间的直流电压。
(参见节)
图一 通常单电源供电的电压一样是5V,这时运放的输出电压摆幅会更低。
另外此刻运放的供电电压也能够是3V也或会更低。
出于那个缘故在单电源供电的电路中利用的运放大体上都是Rail-To-Rail的运放,如此就排除丢失的动态范围。
需要专门指出的是输入和输出不必然都能够经受Rail-To-Rail的电压。
尽管器件被指明是轨至轨(Rail-To-Rail)的,若是运放的输出或输入不支持轨至轨,接近输入或接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化,因此需要认真的参考数据手册是不是输入和输出是不是都是轨至轨。
如此才能保证系统的功能可不能退化,这是设计者的义务。
虚地
单电源工作的运放需要外部提供一个虚地,通常情形下,那个电压是VCC/2,图二的电路能够用来产生VCC/2的电压,可是他会降低系统的低频特性。
图二 R1和R2是等值的,通过电源许诺的消耗和许诺的噪声来选择,电容C1是一个低通滤波器,用来减少从电源上传来的噪声。
在有些应用中能够忽略缓冲运放。
在下文中,有一些电路的虚地必需要由两个电阻产生,可是其实这并非是完美的方式。
在这些例子中,电阻值都大于100K,当这种情形发生时,电路图中均有注明。
交流耦合
虚地是大于电源地的直流电平,这是一个小的、局部的地电平,如此就产生了一个电势问题:
输入和输出电压一样都是参考电源地的,若是直接将信号源的输出接到运放的输入端,这将会产生不可同意的直流偏移。
若是发生如此的情形,运放将不能正确的响应输入电压,因为这将使信号超出运放许诺的输入或输出范围。
解决那个问题的方式将信号源和运放之间用交流耦合。
利用这种方式,输入和输出器件就都能够参考系统地,而且运放电路能够参考虚地。
当不止一个运放被利历时,若是碰着以下条件级间的耦合电容就不是必然要利用:
第一级运放的参考地是虚地,第二级运放的参考地也是虚地,这两级运放的每一级都没有增益。
任何直流偏置在任何一级中都将被乘以增益,而且可能使得电路超出它的正常工作电压范围。
若是有任何疑问,装配一台有耦合电容的原型,然后每次取走其中的一个,观看电工作是不是正常。
除非输入和输出都是参考虚地的,不然那个地址就必需要有耦合电容来隔离信号源和运放输入和运放输出和负载。
一个好的解决方法是断开输入和输出,然后在所有运放的两个输入脚和运放的输出脚上检查直流电压。
所有的电压都必需超级接近虚地的电压,若是不是,前级的输出就就必需要用电容做隔离。
(或电路有问题)
组合运放电路
在一些应用中,组合运放能够用来节省本钱和板上的空间,可是不可幸免的引发彼此之间的耦合,能够阻碍到滤波、直流偏置、噪声和其他电路特性。
设计者通常从独立的功能原型开始设计,比如放大、直流偏置、滤波等等。
在对每一个单元模块进行校验后将他们联合起来。
除非专门说明,不然本文中的所有滤波器单元的增益都是1。
选择电阻和电容的值
每一个刚开始做模拟设计的人都想明白如何选择元件的参数。
电阻是应该用1欧的仍是应该用1兆欧的?
一样的来讲一般的应用中阻值在K欧级到100K欧级是比较适合的。
高速的应用中阻值在100欧级到1K欧级,但他们会增大电源的消耗。
便携设计中阻值在1兆级到10兆欧级,可是他们将增大系统的噪声。
用来选择调整电路参数的电阻电容值的大体方程在每张图中都已经给出。
若是做滤波器,电阻的精度要选择1%E-96系列(参看附录A)。
一但电阻值的数量级确信了,选择标准的E-12系列电容。
用E-24系列电容用来做参数的调整,可是应该尽可能不用。
用来做电路参数调整的电容不该该用5%的,应该用1%。
放大 放大电路有两个大体类型:
同相放大器和反相放大器。
他们的交流耦合版本如图三所示。
关于交流电路,反向的意思是相角被移动180度。
这种电路采纳了耦合电容――Cin。
Cin被用来阻止电路产生直流放大,如此电路就只会对交流产生放大作用。
若是在直流电路中,Cin被省略,那么就必需对直流放大进行计算。
在高频电路中,不要违背运放的带宽限制,这是超级重要的。
实际应用中,一级放大电路的增益一般是100倍(40dB),再高的放大倍数将引发电路的振荡,除非在布板的时候就超级注意。
若是要取得一个放大倍数比较的大放大器,用两个等增益的运放或多个等增益运放比用一个运放的成效要好的多。
图三
衰减
传统的用运算放大器组成的反相衰减器如图四所示。
图四
在电路中R2要小于R1。
这种方式是不被推荐的,因为很多运放是不适宜工作在放大倍数小于1倍的情形下。
正确的方式是用图五的电路。
图五
在表一中的一套规格化的R3的阻值能够用作产生不同品级的衰减。
关于表中没有的阻值,能够用以下的公式计算
R3=(Vo/Vin)/(2-2(Vo/Vin))*RINA
若是表中有值,按以下方式处置:
为Rf和Rin在1K到100K之间选择一个值,该值作为基础值。
将Rin除以二得到RinA和RinB。
将基础值分别乘以1或者2就得到了Rf、Rin1和Rin2,如图五中所示。
在表中给R3选择一个合适的比例因子,然后将他乘以基础值。
比如,若是Rf是20K,RinA和RinB都是10K,那么用的电阻就能够够取得-3dB的衰减。
表一
图六中同相的衰减器能够用作电压衰减和同相缓冲器利用。
图六
加法器
图七是一个反相加法器,他是一个大体的音频混合器。
可是该电路的很少用于真正的音频混合器。
因为这会逼近运放的工作极限,事实上咱们推荐用提高电源电压的方法来提高动态范围。
同相加法器是能够实现的,可是是不被推荐的。
因为信号源的阻抗将会阻碍电路的增益。
图七
减法器
就像加法器一样,图八是一个减法器。
一个通常的应用确实是用于去除立体声磁带中的原唱而留下伴音(在录制时两通道中的原唱电平是一样的,可是伴音是略有不同的)。
模拟电感
图八
图九的电路是一个对电容进行反向操作的电路,它用来模拟电感。
电感会阻碍电流的转变,因此当一个直流电平加到电感上时电流的上升是一个缓慢的进程,而且电感中电阻上的压降就显得尤其重要。
图九
电感会加倍容易的让低频通过它,它的特性正好和电容相反,一个理想的电感是没有电阻的,它能够让直流电没有任何限制的通过,对频率是无穷大的信号有无穷大的阻抗。
若是直流电压突然通过电阻R1加到运放的反相输入端上的时候,运放的输出将可不能有任何的转变,因为那个电压同过电容C1也一样加到了正相输出端上,运放的输出端表现出了很高的阻抗,就像一个真正的电感一样。
随着电容C1不断的通过电阻R2进行充电,R2上电压不断下降,运放通过电阻R1汲取电流。
随着电容不断的充电,最后运放的两个输入脚和输出脚上的电压最终趋向于虚地(Vcc/2)。
当电容C1完全被充满时,电阻R1限制了流过的电流,这就表现出一个串联在电感中电阻。
那个串联的电阻就限制了电感的Q值。
真正电感的直流电阻一样会比模拟的电感小的多。
这有一些模拟电感的限制:
电感的一段连接在虚地上; 模拟电感的Q值无法做的很高,取决于串联的电阻R1; 模拟电感并非像真正的电感一样能够贮存能量,真正的电感由于磁场的作用能够引发很高的反相尖峰电压,可是模拟电感的电压受限于运放输出电压的摆幅,因此响应的脉冲受限于电压的摆幅。
仪用放大器
仪用放大器用于需要对小电平信号直流信号进行放大的场合,他是由减法器拓扑而来的。
仪用放大器利用了同相输入端高阻抗的优势。
大体的仪用放大器如图十所示。
图十
那个电路是大体的仪用放大电路,其他的仪用放大器也如图中所示,那个地址的输入端也利用了单电源供电。
那个电路事实上是一个单电源的应变仪。
那个电路的缺点是需要完全相等的电阻,不然那个电路的共模抑制比将会很低。
图十中的电路能够简单的去掉三个电阻,就像图十一中的电路。
图十一
那个电路的增益超级好计算。
可是那个电路也有一个缺点:
那确实是电路中的两个电阻必需一路改换,而且他们必需是等值的。
另外还有一个缺点,第一级的运放没有产生任何有效的增益。
另外用两个运放也能够组成仪用放大器,就像图十二所示。
图十二
可是那个仪用放大器是不被推荐的,因为第一个运放的放大倍数<1,因此他可能是不稳固的,而且Vin-上的信号要花费比Vin+上的信号更多的时刻才能抵达输出端。
滤波器
这节超级深切地介绍了用运放组成的有源滤波器。
在很多情形中,为了阻挡由于虚地引发的直流电平,在运放的输入端串入了电容。
那个电容事实上是一个高通滤波器,在某种意义上说,像如此的单电源运放电路都有如此的电容。
设计者必需确信那个电容的容量必需要比电路中的其他电容器的容量大100倍以上。
如此才能够保证电路的幅频特性可不能受到那个输入电容的阻碍。
若是那个滤波器同时还有放大作用,那个电容的容量最好是电路中其他电容容量的1000倍以上。
若是输入的信号早就包括了VCC/2的直流偏置,那个电容就能够够省略。
这些电路的输出都包括了VCC/2的直流偏置,若是电路是最后一级,那么就必需串入输出电容。
那个地址有一个有关滤波器设计的协定,那个地址的滤波器均采纳单电源供电的运放组成。
滤波器的实现很简单,可是以下几点设计者必需注意:
1.滤波器的拐点(中心)频率 2.滤波器电路的增益 3.带通滤波器和带阻滤波器的的Q值 4.低通和高通滤波器的类型(Butterworth、Chebyshev、Bessell)
不幸的是要取得一个完全理想的滤波器是无法用一个运放组成的。
即便可能,由于各个元件之间的负杂互感而致使设计者要用超级复杂的计算才能完成滤波器的设计。
通常对波形的操纵要求越复杂就意味者需要更多的运放,这将依照设计者能够同意的最大畸变来决定。
或能够通过几回实验而最终确信下来。
若是设计者希望用最少的元件来实现滤波器,那么就别无选择,只能利用传统的滤波器,通过计算就能够够取得了。
一阶滤波器
一阶滤波器是最简单的电路,他们有20dB每倍频的幅频特性
低通滤波器
典型的低通滤波器如图十三所示。
图十三
高通滤波器
典型的高通滤波器如图十四所示。
图十四
3.1.3文氏滤波器
文氏滤波器对所有的频率都有相同的增益,可是它能够改变信号的相角,同时也用来做相角修正电路。
图十五中的电路对频率是F的信号有90度的相移,对直流的相移是0度,对高频的相移是180度。
二阶滤波器
二阶滤波电路一样用他们的发明者命名。
他们中的少数几个至今还在利用。
有一些二阶滤波器的拓扑结构能够组成低通、高通、带通、带阻滤波器,有些那么不行。
那个地址没有列出所有的滤波器拓扑结构,只是将那些容易实现和便于调整的列了出来。
图十五
二阶滤波器有40dB每倍频的幅频特性。
通常的同一个拓扑结构组成的带通和带阻滤波器利用相同的元件来调整他们的Q值,而且他们使滤波器在Butterworth和Chebyshev滤波器之间转变。
必需要明白只有Butterworth滤波器能够准确的计算出拐点频率,Chebyshev和Bessell滤波器只能在Butterworth滤波器的基础上做一些微调。
咱们通经常使用的带通和带阻滤波器有超级高的Q值。
若是需要实现一个很宽的带通或带阻滤波器就需要用高通滤波器和低通滤波器串联起来。
关于带通滤波器的通过特性将是这两个滤波器的交叠部份,关于带阻滤波器的通过特性将是这两个滤波器的不重叠部份。
那个地址没有介绍反相Chebyshev和Elliptic滤波器,因为他们已经不属于电路集需要介绍的范围了。
不是所有的滤波器都能够产生咱们所假想的结果――比如说滤波器在阻带的最后衰减幅度在多反馈滤波器中的会比在Sallen-Key滤波器中的大。
由于这些特性超出了电路图集的介绍范围,请大伙儿到教科书上去寻觅每种电路各自的优缺点。
只是那个地址介绍的电路在不是很特殊的情形下利用,其结果都是能够同意的。
Sallen-Key滤波器
Sallen-Key滤波器是一种流行的、普遍应用的二阶滤波器。
他的本钱很低,仅需要一个运放和四个无源器件组成。
可是换成Butterworth或Chebyshev滤波器就不可能这么容易的调整了。
请设计者参看参考条款【1】和参考条款【2】,那里介绍了各类拓扑的细节。
那个电路是一个单位增益的电路,改变Sallen-Key滤波器的增益同时就改变了滤波器的幅频特性和类型。
事实上Sallen-Key滤波器确实是增益为1的Butterworth滤波器。
图十六
多反馈滤波器
多反馈滤波器是一种通用,低本钱和容易实现的滤波器。
不幸的是,设计时的计算有些复杂,在那个地址不作深切的介绍。
请参看参考条款【1】中的对多反馈滤波器的细节介绍。
若是需要的是一个单位增益的Butterworth滤波器,那么那个地址的电路就能够够给出一个近似的结果。
图十七
双T滤波器
双T滤波器既能够用一个运放也可仪用两个运放实现。
他是成立在三个电阻和三个电容组成的无源网络上的。
这六个元件的匹配是临界的,但幸运的是这仍是一个常容易的进程,那个网络能够用同一值的电阻和同一值的电容组成。
用图中的公式就能够够同时的将R3和C3计算出来。
应该尽可能选用同一批的元件,他们有超级相近的特性。
单运放实现
图十八
若是用参数超级接近的元件组成带通滤波器,就很容易发生振荡。
接到虚地的电阻最好在E-961%系列当选择,如此就能够够破坏振荡条件。
图十九
双运放实现
典型的双运放如图20到图22所示
图二十
图二十一
图二十二
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