运算放大器在电路中发挥重要的作用
运算放大器在电路中发挥重要的作用
运算放大器在电路中发挥重要的作用，其应用已经延伸到汽车电子、通信、消 费等各个领域，并将在支持未来技术方面扮演重要角色。在运算放大器的实际 应用中，设计工程师经常遇到诸如选型、供电电路设计、偏置电路设计、PCB 设 计等方面的问题。在电子工程专辑网站举行的《运算放大器应用设计》专题讨 论中，圣邦微电子有限公司总裁张世龙先生应邀回答与工程师进行互动。我们 也基于此专题讨论，总结出了运算放大器应用设计的几个技巧，以飨读者。 一、如何实现微弱信号放大？ 传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中， 一个典型的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放 大？张世龙指出，对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果， 必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段，而使用同步检测电路结构可以 得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构，包括传感 器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。他表示，需要注意的 是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双 路的 SPDT 模拟开关。 另有工程师朋友建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择 高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻。有网友对这类问题的解决也进行了补充， 如网友“1sword”建议： 1)电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国 家半导体、BB(已被 TI 收购)、ADI 等公司关于运放的设计手册中均可以查到。 2)推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具)，金属体接电路地，
可以大大改善电路抗干扰能力。 3)对于传感器输出的 nA 级，选择输入电流 pA 级的运放即可。如果对速度没有 多大的要求，运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些。 4)若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M 欧级好一些。否则对电阻要求 比较高。后级再进行 2 级放大，中间加入简单的高通电路，抑制 50Hz 干扰。 二、运算放大器的偏置设置 在双电源运放在接成单电源电路时，工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到 一些两难选择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源 好？有的网友建议用参考电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁 路，有的网友建议用电阻，理由是成本低而且方便，对此，张世龙没有特别指 出用何种方式，只是强调双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的 话，效果
最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的 PSRR。但若 采用电阻分压方式，必须考虑电源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高 ，P SRR 比较低。 三、 如何解决运算放大器的零漂问题？ 网友指出，一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷 ——电压转 换，可是在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生， 如何解决这个问题？ 对此，网友“Frank”分析道，有几种可能性会导致零漂：1)反馈电容 ESR 特性 不好，随电荷量的变化而变化；2)反馈电容两端未并上电阻，为了放大器的工 作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上电阻，形成直流负反馈可以稳定放大 器的直流工作点；3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，
导致零漂。 网友“camel”和“windman”还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详 细分析，认为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放 的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂 移，稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话，也会影响到放大器的频率下限。 所以必须综合考虑！ 而嘉宾张世龙则建议，对于电荷放大器输出电压不归零的现象，一般采用如下 办法来解决： 1)采用开关电容电路的技巧，使用 CDS 采样方式可以有效消除 offset 电压；2) 采用同步检测电路结构，可以有效消除 offset 电压。