運(yùn)算放大器使用的4個(gè)步驟以及Ri、Rf的選取

運(yùn)算放大器的使用是電工的必修課，有人依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和網(wǎng)友討論，總結(jié)了使用三大步驟。

一、如何實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)放大?

傳感器+運(yùn)算放大器+ADC+處理器是運(yùn)算放大器的典型應(yīng)用電路，在這種應(yīng)用中，一個(gè)典型的問題是傳感器提供的電流非常低，在這種情況下，如何完成信號(hào)放大?對于微弱信號(hào)的放大，只用單個(gè)放大器難以達(dá)到好的效果，必須使用一些較特別的方法和傳感器激勵(lì)手段，而使用同步檢測電路結(jié)構(gòu)可以得到非常好的測量效果。這種同步檢測電路類似于鎖相放大器結(jié)構(gòu)，包括傳感器的方波激勵(lì)，電流轉(zhuǎn)電壓放大器，和同步解調(diào)三部分。需要注意的是電流轉(zhuǎn)電壓放大器需選用輸入偏置電流極低的運(yùn)放。另外同步解調(diào)需選用雙路的SPDT模擬開關(guān)。另有工程師朋友建議，在運(yùn)放、電容、電阻的選擇和布板時(shí)，要特別注意選擇高阻抗、低噪聲運(yùn)算和低噪聲電阻。有網(wǎng)友對這類問題的解決也進(jìn)行了補(bǔ)充，如：1)電路設(shè)計(jì)時(shí)注意平衡的處理，盡量平衡，對于抑制干擾有效，這些在美國國家半導(dǎo)體、BB(已被TI收購)、ADI等公司關(guān)于運(yùn)放的設(shè)計(jì)手冊中均可以查到。2)推薦加金屬屏蔽罩，將微弱信號(hào)部分罩起來(開個(gè)小模具)，金屬體接電路地，可以大大改善電路抗干擾能力。3)對于傳感器輸出的nA級，選擇輸入電流pA級的運(yùn)放即可。如果對速度沒有多大的要求，運(yùn)放也不貴。儀表放大器當(dāng)然最好了，就是成本高些。4)若選用非儀表運(yùn)放，反饋電阻就不要太大了，M歐級好一些。否則對電阻要求比較高。后級再進(jìn)行2級放大，中間加入簡單的高通電路，抑制50Hz干擾。
二、運(yùn)算放大器的偏置設(shè)置在雙電源運(yùn)放在接成單電源電路時(shí)，工程師朋友在偏置電壓的設(shè)置方面會(huì)遇到一些兩難選擇，比如作為偏置的直流電壓是用電阻分壓好還是接參考電壓源好?有的網(wǎng)友建議用參考電壓源，理由是精度高，此外還能提供較低的交流旁路，有的網(wǎng)友建議用電阻，理由是成本低而且方便。對此，我認(rèn)為，雙電源運(yùn)放改成單電源電路時(shí)，如果采用基準(zhǔn)電壓的話，效果最好。這種基準(zhǔn)電壓使系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到最小的噪聲和最高的PSRR。但若采用電阻分壓方式，必須考慮電源紋波對系統(tǒng)的影響，這種用法噪聲比較高，PSRR比較低。

三、 如何解決運(yùn)算放大器的零漂問題?有網(wǎng)友指出，一般壓電加速度傳感器會(huì)接一級電荷放大器來實(shí)現(xiàn)電荷——電壓轉(zhuǎn)換，可是在傳感器動(dòng)態(tài)工作時(shí)，電荷放大器的輸出電壓會(huì)有不歸零的現(xiàn)象發(fā)生，如何解決這個(gè)問題?對此，網(wǎng)友分析道，有幾種可能性會(huì)導(dǎo)致零漂：1)反饋電容ESR特性不好，隨電荷量的變化而變化;2)反饋電容兩端未并上電阻，為了放大器的工作穩(wěn)定，減少零漂，在反饋電容兩端并上電阻，形成直流負(fù)反饋可以穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn);3)可能挑選的運(yùn)算放大器的輸入阻抗不夠高，造成電荷泄露，導(dǎo)致零漂。有網(wǎng)友還從數(shù)學(xué)分析的角度對造成零漂的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，認(rèn)為除了使干擾源漂移小以外還必須使傳感器、纜線電阻要大，運(yùn)放的開環(huán)輸入阻抗要高、運(yùn)放的反饋電阻要小，即反饋電阻的作用是為了防止漂移，穩(wěn)定直流工作點(diǎn)。但是反饋電阻太小的話，也會(huì)影響到放大器的頻率下限。所以必須綜合考慮!對于電荷放大器輸出電壓不歸零的現(xiàn)象，一般采用如下辦法來解決：1)采用開關(guān)電容電路的技巧，使用CDS采樣方式可以有效消除offset電壓;2)采用同步檢測電路結(jié)構(gòu)，可以有效消除offset電壓。

實(shí)際上，比這三大步驟更重要的是四個(gè)使用細(xì)節(jié)。

一、采用哪種放大器運(yùn)算放大器基本電路有反相放大器及同相放大器，在實(shí)際使用中如何選擇?如果輸入與輸出要求反相，當(dāng)然要采用反相放大器，若放大的是交流信號(hào)，并無相位要求則可以采用同相放大器或反相放大器。采用哪種好呢？這要根據(jù)具體情況來分析。

采用反相放大器的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)放不管有無輸入信號(hào)，其兩輸入端電位始終近似為零．兩輸入端之間僅有低于μV級的差動(dòng)信號(hào)(或稱差模信號(hào))．而同相輸入放大器的兩個(gè)輸入端之間除有極小的差模信號(hào)外，同時(shí)還存在較大的共模電壓。

雖然運(yùn)放有較大的共模抑制比，但多少也會(huì)因共模電壓帶來一些誤差。同相放大器的優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗極高，因此輸入電阻取大取小影響不大，而反相放大器的輸入阻抗Zi與輸入電阻Ri大小有關(guān)(輸入阻抗Zi等于輸人電阻Ri)

例如，輸入阻抗要求100kΩ；增益要求300，則若采用反相放大器時(shí)，Ri=100kΩ，Rf=30MΩ．這樣大的反饋?zhàn)柚祵νㄓ眠\(yùn)放很難正常工作了，在這種情況時(shí)，采用同相放大器更合適。另外，還要看信號(hào)源的內(nèi)阻大小。某些傳感器的內(nèi)阻較大，若采用輸入阻抗較小的放大電路，會(huì)影響測量精度、在這種情況時(shí)采用同相放大器更為合適。這里介紹一種既采用反相放大器，而且也不采用阻值大的反饋電阻的電路，如圖1所示這電路中的反饋電阻Rf不直接接在輸出端，而按在由R1、R2組成分壓器的中點(diǎn)A。現(xiàn)對此電路進(jìn)行一些分析。此電路要求輸入阻抗為100KΩ，增益為-500。按一般反相放大器設(shè)計(jì)，Ri=100 KΩ，Rf=50MΩ。A點(diǎn)的分壓比為R1/（R1+R2）=1/500，且有R1《Rf。根據(jù)“虛短”及“虛斷”原則，可以列出下式：Ii=Vi/100KΩ=If,IfRf=-VA,

代入可得VA=-Vi。

由A點(diǎn)可列出節(jié)點(diǎn)電流方程：Ii+If=I2及Ii=（0－VA）／R1=Vi／100；所以，I2=(Vi/100Ω)+(Vi/100KΩ)≈Vi/100Ω。由此可求出：

V0=VA－I2R2=－Vi－(Vi/100Ω)X49.9kΩ=－500Vi，即滿足Vo／Vi=－500的要求．在計(jì)算中略去If會(huì)造成一些誤差，但因Rf>>R1，在本例中If僅為Ii的千分之一，故這種誤差是不大的。

若需要采用同相放大器，使輸入與輸出同相，可采用圖2的電路。讀者可以自行推導(dǎo)一下其增益是多少。

二、Ri、Rf的選取從反相放大器及同相放大器的增益公式可知，其增益取決于Rf與Ri的比值。并且通過實(shí)驗(yàn)，在一定范圍內(nèi)，Ri、Rf變化，只要它們之間的比值不變，增益也不變，在具體設(shè)計(jì)中電阻阻值如伺選擇呢?以前的實(shí)驗(yàn)中，并沒有加負(fù)載，而實(shí)際的放大電路是有負(fù)載電阻RL的；如圖3所示．
1、電阻取值太小 設(shè)計(jì)一個(gè)反相放大器，若增益為－100，能否取Ri=10Ω，Rf=100Ω，Rf=lkΩ呢?這比值是對的，但實(shí)際是不行的．這可以從兩方面來分析：（1）運(yùn)放輸出的電流是流向負(fù)載電阻及Rf的，可以看作RL與Rf并聯(lián)。所以當(dāng)Rf取得很小時(shí)(如10—100Ω)，則流過Rf的電流就大，運(yùn)放有限的輸出電流能力就不能充分利用，甚至使放大器很快飽和，放大器的輸出電壓范圍變得很小，即線性范圍很窄．例如，若Rf為500Ω，當(dāng)輸出電壓為10V時(shí)，將要20mA流入Rf(若Rf取100Ω，則要100mA)，而一般運(yùn)放輸出電流僅土10-20mA．另外，Rf過小，使管耗過大，發(fā)熱嚴(yán)重，可能要燒壞器件． （2）反相放大器的輸入阻抗等于Ri，所以Ri取得很小時(shí)，其輸入阻抗就很小。當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻較大時(shí)，信號(hào)就輸不出來。
2、電阻取值太大Ri及Rf取得過大時(shí)可能會(huì)帶來較大的電流漂移干擾．如Rf取10MΩ，則100nA的工作偏流IiB在Rf上將形成1V壓降影響輸出，IiB若稍有變化，則會(huì)造成輸出信號(hào)的嚴(yán)重漂移，且會(huì)形成對外部干擾很敏感的電路。若用手指觸摸10MΩ電阻，則輸出是混有噪聲的削頂波形。另外，由于存在分布電容的因素，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，頻率特性將變壞。一般電阻在1kΩ-lMΩ之間選取，而在10～100KΩ之間選取是較常見的。其次的問題是如何選擇電阻的精度等級．在對放大倍數(shù)要求不嚴(yán)的應(yīng)用場合，如音響電路的前置放大電路，采用5％精度的電阻即可。對精度要求高的放大器可采用1％或0.5％的高精度電阻。一般都采用金屬膜電阻。在業(yè)余條件下，可以采用數(shù)字式萬用表歐姆檔來選配電阻，住住可獲得較好效果。這里要指出的是，電阻的阻值也是會(huì)隨溫度變化而變化的，則它會(huì)影響放大器的溫漂，所以在精度要求較高的放大器中，應(yīng)選用溫度系數(shù)較小的電阻，一般高精度電阻其溫度系數(shù)在lOOppm／。C以下（ppm表示百分之一）。最后提一下電阻的功率．由于流過Ri、Rf、Rp電阻的電流都很小，一般可選用1／8W-l／16W的金屬膜電阻，若現(xiàn)有1／4W的也可用。
3、能否用半可調(diào)電阻代替Ri，Rf ？ 由于電阻的阻值有一定的誤差，能設(shè)定的增益與實(shí)際增益有一定的差別，而精密電阻價(jià)格較貴，并且尺寸較大，能否采用半可調(diào)電阻來代替Ri及Rf，通過調(diào)整來滿足增益的要求，如圖4(a)、(b)、(c)所示：從原理上來看，三種方案都可以的，但實(shí)際上有一些問題。首先是半可調(diào)電阻的接觸不太可靠，在振動(dòng)或撞擊時(shí)可能會(huì)改變其阻值，一般的半可調(diào)電阻的電阻層是碳膜的，它的溫度系數(shù)較大，與其他電阻溫度系數(shù)數(shù)不匹配，容易產(chǎn)生溫漂，因此不適合精度高的放大器，從圖4(a)與4(b)比較，采用(b)方案較好，Rf的變化對Rp的影響較小。方案(c)雖然增益調(diào)整范圍極大，但實(shí)際調(diào)節(jié)范圍不應(yīng)過大。在增益調(diào)節(jié)中采用精密多圈電位器較好，它的特點(diǎn)是：調(diào)節(jié)方便、精確、溫度系數(shù)較小。
三、緩沖器的應(yīng)用圖5(a)是大家熟悉的同相放大器電路。如果電路中Ri=∞，Rf=0，則電路變成圖5(b)的樣子，它就是緩沖器電路。由同相放大器增益公式1+Rf／Ri可知，若Rf=0，Ri=∞，則其增益為1。同樣，用“虛短’的原則來分析：反相輸入端的電壓等于同相端的電壓，而反相端已與輸出端直接連接在一起，即V0=Vi．這樣增益為1的電路雖然十分簡單，什么外圍元件都沒有，有什么用處呢?先按圖6來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。這里采用的是土9V電源，采用數(shù)字表測量，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：在空載時(shí)(即不接0.5k負(fù)載電阻時(shí))，在－7.06V～+8.93V范圍內(nèi)輸入電壓等于輸出電壓，且是同相的，電壓跟隨范圍相當(dāng)大。當(dāng)負(fù)載電流小時(shí)，有負(fù)載及無負(fù)載沒有差別。但負(fù)載電流大時(shí)，如大于14mA時(shí)，輸出電壓要比輸入電壓小，即放大器提前飽和。對于輸出載電流大與輸出電壓的關(guān)系，有興趣的讀者，用可圖7所示的電路進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)。緩沖器的特點(diǎn)是輸入阻抗極高、輸出阻抗極低、能輸出較大電流。因此它可用作緩沖隔離級“插入”電路中，如某些振蕩器電路若直接接負(fù)載會(huì)影響振蕩器輸出特性甚至或停振，而在振蕩器與負(fù)載之間插入緩沖器，則可穩(wěn)定地工作。又例如一些內(nèi)阻高的傳感器，如壓電式傳感器，其輸出信號(hào)非常弱，而且內(nèi)阻極高。若采用一般放大器與傳感器直接連接會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差。這時(shí)傳感器與放大器間插入一個(gè)緩沖器，以起到阻抗變換的作用。