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运算放大器设计与应用―电子工程师必备手册(下)

高工
2009-03-24 21:44:30    评分

一、运算放大器设计应用经典问答集粹

二、四类运算放大器的技术发展趋势及其应用热点





一、运算放大器设计应用经典问答集粹


1.用运算放大器做正弦波振荡有哪些经典电路

问:

用运算放大器做正弦波振荡器在学校时老师就教过,应该是一个常用的电路。现在我做了几款,实际效果都不理想。哪位做过,可否透露些经验或成功的电路?


答:

(1)用以下方法改进波形质量:

选用高品质的电容;对运放的电源进行去耦设计;对震荡器的输出信号进行滤波处理。


(2)我曾经在铃流源电路中用到一种带有AGC电路的文氏电桥振荡器,用来产生25Hz的正弦波,如图所示。图中使用二极管限幅代替非线性反馈元件,二极管通过对输出电压形成一个软限幅来降低失真。文氏电桥或低失真的特性要求有个辅助电路来调节增益,辅助电路包括从在反馈环路内插入的一个非线性元件,到由外部元件构成的自动增益控制( AGC)回路。通过 D1对正弦波的负半周取样,且所取样存于 C1中,选择 R1和 R2,必须使 Q1的偏置定在中心处,使得输出电压为期望值时,(RG+RQ1)=RF/2。当输出电压升高时, Q1增大电阻,从而使增益降低。在上图所示的振荡器中,给运算放大器的正输入端施加 0.833V电源,使输出的静态电压处在中心位置处(Vcc/2=2.5V),这里Q1多数用的是小信号的 MOSFET 2N7000(N沟道,60V,7.5欧),D1则选用 1N4148。以上供你参考。


(3)


为克服 RC移相振荡器的缺点,常采用RC串并联电路作为选频反馈网络的正弦振荡电路,也称为文氏电桥振荡电路,如图 Z0820所示。它由两级共射电路构成的同相放大器和 RC串并联反馈网络组成。由于φA= 0,这就要求 RC串并联反馈网络对某一频率的相移φF=2nπ,才能满足振荡的相位平衡条件。下面分析RC串并联网络的选频特性,再介绍其它有关元件的作用。


图 Z0820中 RC串并联网络在低、高频时的等效电路如图Z0821所示。这是因为在频率比较低的情况下,(1/ωC)>R,而频率较高的情况下,则(1/ωC)



为调节频率方便,通常取 R1 = R2 = R,C1 = C2 = C,如果令 ω0=1/ RC,则上式简化为:




可见,RC串并联反馈网络的反馈系数是频率的函数。由式 GS0821可画出的幅频和相频特性,如图 Z0822所示。由图可以看出:




这就表明 RC串并联网络具有选频特性。因此图 Z0820电路满足振荡的相位平衡条件。如果同时满足振荡的幅度平衡条件,就可产生自激振荡。振荡频率为:



一般两级阻容耦合放大器的电压增益 Au远大于3,如果利用晶体管的非线性兼作稳幅环节,放大器件的工作范围将超出线性区,使振荡波形产生严重失真。为了改善振荡波形,实用电路中常引进负反馈作稳幅环节。

图 Z0820中电阻 Rf和 Re引入电压串联深度负反馈。这不仅使波形改善、稳定性提高,还使电路的输入电阻增加和输出电阻减小,同时减小了放大电路对选频网络的影响,增强了振荡电路的负载能力。通常 Rf用负温度系数的热敏电阻( Rt)代替,能自动稳定增益。假如某原因使振荡输出 Uo增大, Rf上的电流增大而温度升高,阻值 Rf减小,使负反馈增强,放大器的增益下降,从而起到稳幅的作用。



从图 Z0820可以看出, RC串并联网络和 Rf、Re,正好组成四臂电桥,放大电路输入端和输出端分别接到电桥的两对角线上,因此称为文氏电桥振荡器。目前广泛采用集成运算放大器代替图 Z0820中的两级放大电路来构成 RC桥式振荡器。图 Z0823是它的基本电路。文氏电桥振荡器的优点是:不仅振荡较稳定,波形良好,而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节。



2.如何估算多级放大器的频宽

问:

如果设计一个带宽为 DC-100MHz的放大器,总增益为 50倍,共三级放大,运算放大器的单位增益带宽为 1GHz,请问如何估算总带宽?


答:



(1)运放的增益带宽积 =增益×(-3dB带宽),例如,若三级运放增益分配为:第一级为:+2,那么它的-3dB带宽=1000MHz/2=500MHz,第二和第三级的增益都为+5,那么它的-3dB带宽=1000MHz/5/1.4=140MHz,所以系统的总增益为2×5×5=50,带宽为140MHz>100MHz,符合设计要求。


注:这里假设所提的1000MHz运放的增益带宽积等于其单位增益时的-3dB带宽。



(2)估算放大器的带宽,要用到运放带宽积的概念,带宽积=增益X(-3dB带宽)。按专家所给出的以上计算方法即可估算系统带宽。


(3)


3.把负电压转成正值


问:


我需要把负电压转成正值,范围是-0.494至-0.221V,想接一个反向比例运算电路,但是 LM358接出来不对,op07可以,但是 op07需要正负 15v供电,比较麻烦。

请各位推荐一个正负 5v供电的运放,谢谢了。


答:



(1)不知你要的输出电压是多少,可以用SGM358试试电源电压是正负2.75(最大)

(2)输出电压就是正的啊,0.221至0.494V,就是一个反相比例运算电路。我再重说一下吧,其实很简单,就是把一个-0.494至-0.221V的电压转成正的即可,请大家推荐一种正负5V供电的运放。之前我在multisim上用LM358模拟过,但是结果不对。用op07可以,但是需要正负15V供电,比较麻烦。谢谢各位了!


(3)楼主的问题,首先需要认真查看商品的技术规范(http://wwwk.heltech.edu.hel.fi/ideaport/d/lm358.pdf),问题自然明了。答案是:合格的LM358在+/-5V电源和RL>=10KOhm的条件下,能够满足将幅度低于-1V的低频或直流信号做等幅反向转换或传输。这里,不要被单电源运放的名称所迷惑。单电源运放依然可以很好地工作在双电源供电的工作环境里。不过是因为其比常规/标准运放具有更宽、更接近Vcc/Vee电源端电压的输入/输出能力与特性,才有此专称,两者的结构本质上相同。通用运放在线性传输范围,依然有很多实际的单电源供电应用。楼主在模拟/仿真LM358时,可能将供电设置成正极性单电源的方式,而一般的仿真软件,可能将输入电压条件内置为Vcc/Vee电源端电压的范围,输入电压已经超出限度,结果自然不正常。从 LM358的PNP差分输入结构看,+5V单电源结构即有可能基本满足(一定条件下)初始的要求;而CA3140(http://www.ee.washington.edu/stores/DataSheets/linear/ca3140.pdf)的PMOS差分输入结构在单电源条

件下,满足要求的可能性更大。OP-07运放+/-5V也是可正常工作的(http://www.ortodoxism.ro/datasheets/nationalsemiconductor/OP-07.pdf)。前期分析极为重要,但还得通过实际验证。一个反向比例器的验证测试,在面包板上极为便捷。若有测量仪器就更为方便与直接(Tek-577-178,BJ4840)。通过测量,还可评估一下所用仿真工具的智能程度与符合实际的概率。供参考。


4.微弱交流信号的提取与放大的问题


问:我的有用信号是1~100nA频率1k~10khz的交流信号,但是接收信号中又存在1uA左右的直流电流,我应该如何把我要的交流电流提取出来然后放大呢?另外放大部分有什么好的实现方法么?大概1nA要转换成10mV。


答:(1)解决问题时,需要提取焦点的“差异”,从而找出解决问题的钥匙。这里的关键就是:实现10M欧姆跨阻比例器的直流调零。关于电路的具体参数设计,有时常与工艺考查紧密相关。根据经验推算:4MHz增益带宽乘积的运放与10M欧姆的普通反馈电阻Rf实现的跨阻比例器的信号带宽可达到40KHz。因此,对处于频率上限边界的10KHz的正弦频率分量,会有-1.83%的最大频率响应衰减。主因就是与Rf等效并联的总分布电容Cf(电阻的封装结构电容+工艺装配结构电容--包括运放封装和PCB等空间结构电容)。若此结果为不可接受的瓶径,可考虑用两个5M欧姆电阻串联成一个10M电阻,等效Cf约可减半。接近80KHz的电路带宽产生的最高频响衰减的影响,将减少到约-0.0335%了。运放宜选用Ib<0.1nA(全工作温度范围内)和高带宽的产品,以保证零点的稳定和高频响应的要求。或者对后续电路的传输采取交流隔直方式--以消除零点漂移的影响。运放工作电源的交流纹波电压应<2mVp-p,不宜采用开关电源供电。整个电路需要采取电场屏蔽措施——安装在屏蔽接地的金属盒子之中。设计的前期考虑越细致、投入越多,研制进程中翻案、返工、打补丁的机会就越少,设计质量、产品质量才能更高,设计成本反而减少,生产的后期成本也越少。反之,结果趋势相反。这些思想,就是那个著名的前期高设计投入、后期低生产消耗的“投入-消耗成本时间反比曲线族”的具体体现。确实反映出设计、生产实践中的一些客观规律。



(2)谢谢你给我建议,它对我有很大的帮助,但是还是有个问题我搞不懂,怎么实现你说的“直流调零”呢?另外能不能推荐几款合用的运放,再次感谢你。


(3) 1uA直流通过10M欧姆在运放输出端通常产生+10V的输出电压。也因此限制了交流信号的动态范围,并形成诸多不便。将一个稳定的+10V(可用3296电位器微调)电压串接一个10M电阻连接到运放的反向输入端,形成一个相反的1uA抵消电流,10M反馈电阻中没有电流,输出直流电压也因此为零了LF356、LF411(+/-12V~15V双电源供电),OPA655(+/-5V双电源供电)。






关键词: 运算     放大器     设计     应用     电子     工程师     必备     手册    

菜鸟
2009-03-25 14:27:11    评分
2楼
  贴片电子元件套件SMT KITS是美国模拟技术公司( Analog Technologies,Inc. 简称ATI公司)研发的产品,主要包括电阻盒、电容盒、电感盒三大种类。此元器件盒已申请并通过国家专利。这种便利的分类放置元器件的盒子改变了传统的电子元器件的查找方法,实现了即见即得的快捷方式,不但使得实验室的空间布局更加整洁、规范,更大大地节省了调试者在查找电子元器件时所花费的时间,同时也避免了元器件的丢失,因此深受广大电路设计者的喜爱,得到了广泛的应用。 盒内含有128个小格,每个小格放1种电阻,每种阻值有100片,200片装。 产品特性 1.     体积小、便于携带; 2.     独特的造型可以叠放,整齐又节省空间; 3.     非常适用于桌面、实验台等场所的电路调试; 4.     可实现元器件方便快捷的查找; 5.     电阻阻值含有510种,包括了所有的电阻值,包含了EIA标准; 6.     易于元器件的保存,防湿、防尘,不易丢失。           结构、规格及作用 1.     产品外壳,尺寸:280mm(长)×210mm(宽)×40mm(高),防尘、防潮湿; 2.     内部小格,尺寸:15mm(长)×22mm(宽)×16mm(高),用来盛装不同阻值的电阻,每盒含128个小格,每一个小格的盖上有标签标注其对应电阻的电阻值;     如有需要的请联系我 手机:13390070421 QQ:176994233  MSN:wangying428824@163.com    

菜鸟
2010-05-21 11:48:28    评分
3楼
用于GPS导航仪。通信接收机,基站,声表滤波器

厂家:TriQuint

零件编号:854916
140兆赫的SAW滤波器

零件编号:854919
140兆赫的SAW滤波器

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