乾貨| 實圖分析運放7大經典電路

2020-11-23 電子工程世界

運放的基本分析方法：虛斷，虛短。對於不熟悉的運放應用電路，就使用該基本分析方法。


運放是用途廣泛的器件，接入適當的反饋網絡，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器、振蕩器及電壓比較器。


1、運放在有源濾波中的應用


上圖是典型的有源濾波電路（賽倫-凱 電路，是巴特沃茲電路的一種）。有源濾波的好處是可以讓大於截止頻率的信號更快速的衰減，而且濾波特性對電容、電阻的要求不高。


該電路的設計要點是：在滿足合適的截止頻率的條件下，儘可能將R233和R230的阻值選一致，C50和C201的容量大小選取一致（兩級RC電路的電阻、電容值相等時，叫賽倫凱電路），這樣就可以在滿足濾波性能的情況下，將器件的種類歸一化。其中電阻R280是防止輸入懸空，會導致運放輸出異常。


濾波最常用的3種二階有源低通濾波電路為 


巴特沃茲低通濾波中 用的最多的是 賽倫凱樂電路，即仿真的該電路。


一個濾波器，要知道其截至頻率是多少，或者能寫出傳遞函數和頻率響應也可以。


如果該濾波器還有放大功能，要知道該濾波器的增益是多少。


 

當兩級RC電路的電阻、電容值相等時，叫賽倫凱電路，在二階有源電路中引入一個負反饋，目的是使輸出電壓在高頻率段迅速下降。


二階有源低通濾波電路的通帶放大倍數為 1+Rf/R1 ，與一階低通濾波電路相同；




截止頻率為


註明，m的單位為 歐姆， N 的單位為 u




所以計算得出 截止頻率為



2、運放在電壓比較器中的應用


電壓比較

上圖是典型信號轉換電路，將輸入的交流信號，通過比較器LM393，將其轉化為同頻率的方波信號（存在反相，讓軟體處理一下就可以），該電路在交流信號測頻中廣泛使用。


該電路實際上是過零比較器和深度放大電路的結合。


將輸出進行（1+R292/R273）倍的放大，放大倍數越高，方波的上升邊緣越陡峭。


該電路中還有一個關鍵器件的阻值要注意，那就是R275，R275決定了方波的上升速度。


3、恆流源電路的設計


如圖所示，恆流原理分析過程如下：

U5B（上圖中下邊的運放）為電壓跟隨器，故V1=V4;

由運算放大器的虛短原理，對於運放U4A（上圖中上邊的運放）有： V3=V5；

有以上等式組合運算得：


當參考電壓Vref固定為1.8V時，電阻R30為3.6,電流恆定輸出0.5mA。

該恆流源電路可以設計出其他電流的恆流源，其基本思路就是：所有的電阻都需要採用高精度電阻，且阻值一致，用輸入的參考電壓（用專門的參考電壓晶片）比上阻值，就是獲得的輸出電流。


但在實際使用中，為了保護恆流源電路，一般會在輸出端串一隻二極體和一隻電阻，這樣做的好處第一是防止外界的幹擾會進入恆流源電路，導致恆流源電路的損壞，二是可以防止外界負載短路時，不至於對恆流源電路造成損壞。




4、整流電路中的應用


整流電路

上述電路是一個整流電路，將輸入的一定頻率的脈衝整流成固定的電平電壓，再用此電壓控制4-20mA電流的輸出電流。該電路功能類似一些DAC功能的接口。


5、熱電阻測量電路


熱電阻測量電路

上圖的電路是典型的熱電阻/電偶的測量電路，其測量思路為：將1-10mA的恆流源加於負載，將會在負載上產生一定的電壓，將該電壓進行有源濾波處理，處理後在進行信號的調整（信號放大或衰減），最後將信號送入ADC接口。


該電路應用時，要注意在輸入端施加保護，可以並TVS，但要注意節電容對測量精度的影響，當然，如果在一些低成本場合，上述電路圖可簡化為下電路


熱電阻測量簡化電路


6、電壓跟隨器

在運放的使用中，電壓跟隨器是一種常見的應用，該電路的好處是：一是減小負載對信號源的影響；二是提高信號帶負載的能力。



電壓跟隨器

上圖是運用運放實現了電阻分壓的功能，首先用電阻獲得需要輸出的電壓，然後用運放對該電壓進行跟隨，提高其輸出能力。


7、單電源的應用

在運放的實際使用，我們一般為了保持運放的頻率特性，一般都採用雙電源供電，但有的時候在實際使用，我們只有單電源的情況，也能實現運放的正常工作。

首先我們運用運放跟隨電路，實現一個VCC/2的分壓:


分壓電路

當然，如果在要求不是很高的場合，我們可以直接電阻分壓，獲得+VCC/2，但由於電阻分壓的特性所在，其動態的響應速度會非常慢，請謹慎使用。


獲得+VCC/2後，我們可以用單電源實現信號放大功能，如下圖：



單電源的應用

該電路中 R66=R67//R68， 信號的輸出增益G=-R67/R68 。


具體應用如下圖：運放為單+5V_AD供電，AD晶片的電壓是3.3V（基準電壓晶片REF3033得到），該3.3V再電阻分壓和經過運放跟隨後得到1.65V，給到運放的同相輸入端



單電源差分輸入並放大的應用

附：運放的應用要點







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