運放
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-26
運放的實例教程
這是因為有些數據手冊的作者企圖將這種標識的差異作為單電源運放和雙電源運放的區別。但是，這并不是說他們就一定要那樣使用――他們可能可以工作在其他的電壓下。在運放不是按默認電壓供電的時候，需要參考運放的數據手冊，特別是絕對最大供電電壓和電壓擺動說明。
絕大多數的模擬電路設計者都知道怎么在雙電源電壓的條件下使用運算放大器，比如圖一左邊的那個電路，一個雙電源是由一個正電源和一個相等電壓的負電源組成。一般是正負15V，正負12V和正負5V也是經常使用的。輸入電壓和輸出電壓都是參考地給出的，還包括正負電壓的擺動幅度極限Vom以及最大輸出擺幅。
單電源供電的電路(圖一中右)運放的電源腳連接到正電源和地。正電源引腳接到VCC＋，地或者VCC－引腳連接到GND。將正電壓分成一半后的電壓作為虛地接到運放的輸入引腳上，這時運放的輸出電壓也是該虛地電壓，運放的輸出電壓以虛地為中心，擺幅在Vom 之內。
有一些新的運放有兩個不同的最高輸出電壓和最低輸出電壓。這種運放的數據手冊中會特別分別指明Voh和Vol 。需要特別注意的是有不少的設計者會很隨意的用虛地來參考輸入電壓和輸出電壓，但在大部分應用中，輸入和輸出是參考電源地的，所以設計者必須在輸入和輸出的地方加入隔直電容，用來隔離虛地和地之間的直流電壓。(參見1.3節)
通常單電源供電的電壓一般是5V，這時運放的輸出電壓擺幅會更低。另外現在運放的供電電壓也可以是3V也或者會更低。出于這個原因在單電源供電的電路中使用的運放基本上都是Rail-To-Rail的運放，這樣就消除了丟失的動態范圍。
需要特別指出的是輸入和輸出不一定都能夠承受Rail-To-Rail的電壓。
展開 單位增益帶寬GB：
單位增益帶寬定義為，運放的閉環增益為1倍條件下，將一個恒幅正弦小信號輸入到運放的輸入端，從運放的輸出端測得閉環電 壓增益下降3db（或是相當于運放輸入信號的0.707）所對應的信號頻率。單位增益帶寬是一個很重要的指標，對于正弦小信號放大時，單位增益帶寬等于輸 入信號頻率與該頻率下的最大增益的乘積，換句話說，就是當知道要處理的信號頻率和信號需要的增以后，可以計算出單位增益帶寬，用以選擇合適的運放。這用于 小信號處理中運放選型。
轉換速率（也稱為壓擺率）SR：
運放轉換速率定義為，運放接成閉環條件下，將一個大信號（含階躍信號）輸入到運放的輸入端，從運放的輸出 端測得運放的輸出上升速率。由于在轉換期間，運放的輸入級處于開關狀態，所以運放的反饋回路不起作用，也就是轉換速率與閉環增益無關。轉換速率對于大信號 處理是一個很重要的指標，對于一般運放轉換速率SR<=10V/μs，高速運放的轉換速率SR>10V/μs。目前的高速運放最高轉換速率 SR達到6000V/μs。這用于大信號處理中運放選型。
全功率帶寬BW：
全功率帶寬定義為，在額定的負載時，運放的閉環增益為1倍條件下，將一個恒幅正弦大信號輸入到運放的輸入端，使運放輸出 幅度達到最大（允許一定失真）的信號頻率。這個頻率受到運放轉換速率的限制。近似地，全功率帶寬=轉換速率/2πVop（Vop是運放的峰值輸出幅度）。全功率帶寬是一個很重要的指標，用于大信號處理中運放選型。
建立時間：
建立時間定義為，在額定的負載時，運放的閉環增益為1倍條件下，將一個階躍大信號輸入到運放的輸入端，使運放輸出由0增加到某 一給定值的所需要的時間。由于是階躍大信號輸入，輸出信號達到給定值后會出現一定抖動，這個抖動時間稱為穩定時間。穩定時間+上升時間=建立時間。
展開 我們看運放芯片內部有一個小小的補償電容：
運放芯片 LM358 內部的補償電容
而比較器芯片內部則沒有這顆電容：
比較器芯片 LM311 內部沒有補償電容
運放內部的補償電容導致了運放的輸出響應相對通用比較器芯片而言有點慢。
下圖中黃色波形是運放比較器電路的輸出，青色波形是比較器芯片輸出波形：
運放輸出響應慢
可以看到比較器芯片輸出可以達到 10 伏的正軌電壓，比較器能夠快速達到正軌電壓，而運放受制于較低的壓擺率響應速度相對而言有些慢。
我們放大波形看看:
輸出響應時間比較
我們測量波形的上升時間，即波形從10% 上升到 90% 所需的時間。可以看到比較器以 4.76 微秒的速度快速上升。受限于較低其壓擺率，運放的上升時間達到了 28 微妙。
傻人有傻福
我們通過另一個例子來體會一下專用比較器芯片的快速響應速度。
運放比較器電路
下面是一個運放比較器電路：
運放比較器電路
兩個 10k 的電阻構成的分壓器為同相引腳提供 2.5 伏的比較參考電壓。可調電阻接到反相引腳，其可調電壓范圍為 0~5 伏：
當 2 腳電壓 > 2.5 伏時，輸出為 GND, LED 點亮；
當 2 腳電壓 < 2.5 伏時，輸出為 +5伏, LED 熄滅。
面包板上組裝好的電路如下：
面包板上組裝好的運放比較器電路
來回旋轉可調電阻，可以反復點亮或熄滅 LED。
探頭接在運放輸出引腳（1腳）上，時基為 2ms ， LED 由亮到滅時波形截圖如下：
比較器電路波形
看上去一切正常，很好。
展開 采集系統結構并不復雜，主要由一個前端運放、ADC和藍牙模塊組成，藍牙模塊是CC2640，微弱信號經過運放放大之后，被ADC轉換為數字信號，通過藍牙發送給電腦。
藍牙？我看到藍牙時，心里已經有了懷疑方向，但咱以前也沒接觸過藍牙，還是慢慢分析吧。
復現
接手到問題后當然是先復現現象。下圖是采集70uVpp@12Hz的正弦信號的時域和頻域圖，22Hz的干擾很明顯，竟然達到了16uVpp（諧波以及50Hz工頻干擾暫時不考慮；前期版本不穩定，22Hz的頻率也有一點點變化，這里也不詳細介紹，我們都統一看22Hz）。
分析
首先要判斷干擾從哪里引入的，將運放與ADC斷開，單獨用ADC采集時，基本沒有干擾，則干擾大概率和前端運放有關，耐心搞耐心干。
降低前端運放放大倍數，將放大倍數修改為2倍，22Hz干擾也基本消失，和單獨使用ADC的結果接近，得出初步結論：干擾很可能是被高放大倍數的運放放大后，被ADC采集到，進而在頻譜上出現。
基于上述分析，恢復運放放大倍數后，將前端運放輸入短路，重新連接ADC測試，發現在輸入為0時，也有22Hz干擾。
分析2
既然干擾和前端運放強相關，就著重檢查了前端運放的模擬、電源走線，以及電源分配和地回流的處理。
發現了幾個可能的風險點：
模擬信號缺乏屏蔽
模擬電源缺乏屏蔽
模擬地數字地隔離不干凈
接下來就是查找產生干擾的源（我懷疑是藍牙搞得鬼），咱不急，一點點來分析。
先測試了模擬電源的紋波，受限于示波器精度，只能分辨10mV，沒發現異常，但這并不代表電源就是ok的，需要進一步排除。
展開 4、運算放大電路
上圖為同相運放電路原理，輸出公式為：VO=VI×(1+R2/R1)
上圖為反向輸入運放原理，輸出公式為：VO=-VI×(R2/R1)。
要學會運用運放正負輸入端"虛斷"與"虛短"的原理，進行推算。
● 虛短指在理想情況下，兩個輸入端的電位相等，就好像兩個輸入端短接在一起，但事實上并沒有短接。
● 虛斷指在理想情況下，流入集成運算放大器輸入端電流為零。這是由于理想運算放大器的輸入電阻無限大，就好像運放兩個輸入端之間開路。但事實上并沒有開路。
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我們可以采用恒流驅動的設計方案+鈦絲電阻反饋+環境溫度補償設計+電壓波動補償設計：
例1：恒流驅動的設計方案+鈦絲電阻反饋
我們通過對地下接參考電阻，給到運放，再通過單片機的ADC采樣參與閉環控制鈦絲的驅動位移量。
例2：環境溫度補償設計
我們通過NTC采樣來獲取環境溫度數據，給單片機做驅動電流的補償，使得不同環境溫度條件下的驅動的一致性。
使用運放進行放大的電路如下圖：
在R5=R6，R7=R8的情況下，運放的放大倍數m=R7 / R5。電路中的放大倍數為m=20。經運放放大后得到了Uo送到單片機系統的ADC中去進行AD采樣。那么我們可以計算一下ADC測量得到的AD值和電阻R2之間的關系。
振動傳感器是一種目前廣泛應用的報警檢測傳感器，它通過內部的壓電陶瓷片加彈簧重錘結構感受機械運動振動的參量（如振動速度、頻率、加速度等）并轉換成可用輸出信號，然后經過LM358等運放放大并輸出控制信號。
有源濾波器：集成運放和R、C組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優點。
集成運放的開環電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。
但集成運放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。
同樣假設光耦CTR=1，如果用CTR大的光耦，或加有其他放大時，如同時用IC的內部運放，只需要在波得圖上加一個直流增益后，再設計補償部分即可。這時要求把IC內部運放配置為比例放大器，如果再在內部運放加補償，就稍微麻煩一點，在圖上再加一條補償線結束。想大家看完后即使不會計算，出問題時也應該知道改哪里。
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類型2，這是使用運放與Vref（2.5V）一體化的并聯穩壓器電路，由于這種電路的Vref高達2.5V，所以電源利用范圍較窄類型3，這是用晶體管代替運放的電路，由于使用晶體管的Vbe（約0.6V）替代Vref的電路，因此，Vbe的溫度變化毫無改變地呈現在輸出中，從而的不到期望的精度類型4，這是利用對管補償Vbe隨溫度變化的電路，由于檢測電壓也低于0.1V左右，應此，電源利用范圍很寬類型
理想運放和理想運放條件
在分析和綜合運放應用電路時，大多數情況下，可以將集成運放看成一個理想運算放大器。理想運放顧名思義是將集成運放的各項技術指標理想化。由于實際運放的技術指標比較接近理想運放，因此由理想化帶來的誤差非常小，在一般的工程計算中可以忽略。
