運放概述&&案例講解&&運算分析

一:基本概念

反向放大器

優(yōu)點：兩個輸入端電位始終近似為零（同相端接地，反相端虛地），只有差模信號，抗干擾能力強；

缺點：輸入阻抗很小，等于信號到輸入端的串聯(lián)電阻的阻值。

同相放大器

優(yōu)點：輸入阻抗和運放的輸入阻抗相等，接近無窮大

缺點：放大電路沒有虛地，因此有較大的共模電壓，抗干擾能力相對較差，使用時要求運放有較高的共模抑制比，另一個小缺點就是放大倍數(shù)只能大于1；

差分放大器

為了好區(qū)分設(shè)參考電壓V+2.5為V0

V1 = V0*(R2/(R2+R4))

根據(jù)虛短可知：同向端和反向端輸入電壓一致

反向端根據(jù)電流特性可知：(VIN-V1)/R3 = (V1-Vout)/R1

推算上公式得到：Vout = V1- R1(VIN-V1)/R3

繼續(xù)優(yōu)化計算：Vout = R1/R3(V1*R3/R1-VIN+V1)

Vout = R1/R3【V1(1+R3/R1)-VIN】

我們知道： V1 = V0*【R2/(R2+R4)】帶入可得到

Vout = R1/R3【V0*(R2/(R2+R4))((R1+R3)/R1)-VIN】

當R1 = R2 , R3 = R4

簡化可知：Vout = R1/R3【V0-VIN】 = 0.2【2.5-VIN】

分析點:輸入輸出阻抗，干擾（差模，共模）

1、同向放大器的輸入阻抗和運放的輸入阻抗相等，接近無窮大，同相放大器的輸入電阻取值大小不影響輸入阻抗；而反向放大器的輸入阻抗等于信號到輸入端的串聯(lián)電阻的阻值。因此當要求輸入阻抗很高的時候就應(yīng)選擇同相放大器！

2、同向放大器的輸入信號范圍受運放的共模輸入電壓范圍的限制，反向放大器則無此限制。因此如果要求輸入阻抗不高且相位無要求時，首選反向放大，因為反向放大只存在差模信號，抗干擾能力強，可以得到更大的輸入信號范圍。

3、在設(shè)計中要求放大倍數(shù)相同的情況下盡量選擇數(shù)值小的電阻配合，這樣可以減小輸入偏置電流的影響和分布電容的影響。如果很計較功耗，則要在電阻數(shù)值方面折中。

放大器中電阻電容作用分析

基本解釋：上左圖中反向放大電路RG,RF組成反饋比例電阻。在需求輸入阻抗不高的情況下，放大倍數(shù)較小，合理的選用上圖反向放大電路比較合適

缺點：存在差模干擾 CF,CL是有利于電路的穩(wěn)定

基本解釋： 上右圖使用Cc的目的就是實現(xiàn)分壓器的補償，實現(xiàn)R1*Cx = R2*Cc,并且所有頻率的阻抗比都是恒定的，主要是可以消除反饋網(wǎng)絡(luò)中的相移或延遲。

R2//R1 = 1.1K 極點：td = RC

我們設(shè)置輸入端電容為Cx = Cdiff +Ccm +Cstary = 108pF

R1*Cx = R2*Cc Cc = R1*Cx/R2 = 1*108 /9 = 12pF

td = 12pF*1.1K=13.2ns

有時候我們很難知道輸入端的大小Cx，但是我們可以通過實際電路仿真得到大概的值后再通過電路調(diào)試將電路布線等引入的寄生參數(shù)平衡出最終的電容。

反饋網(wǎng)絡(luò)常見的震蕩和振鈴在負載是容性的時候更明顯，我們應(yīng)該怎么解決？

案例1---對反饋回路電容

“麻煩制造者”運算放大器開環(huán)輸出電阻 (Ro)，實際并非運算放大器內(nèi)部的一個電阻器。它是一個依賴于運算放大器內(nèi)部電路的等效電阻。如果不改變運算放大器，就不可能改變它。CL 為負載電容。如果想驅(qū)動某個CL就得受限制與Ro和Cl組成得幾點。20KHZ時候運算放大器反饋環(huán)路內(nèi)部1.8MHZ得極點便會帶來問題。如何處理了？降低帶寬，增大增益，還有增加補償，如圖34圖35Cc帶來得區(qū)別。在反饋路徑甚至輸入輸出端增加電容或者RC不僅有利于解決電路震蕩問題某些時候還有利于降低運放的輸出Vos等。 我們稱CL為負載電容，但是我們發(fā)現(xiàn)很多電路會專門為運放輸出端增加一個電容，我們?nèi)绾卫斫?？如下圖，我們知道運放從輸入到輸出有建立時間，在實際電路中當輸出端信號有瞬態(tài)干擾信號注入時候，這個干擾注入時間小于運放的跟隨建立時間，那中間這段時間，運放輸出端最大電壓可能達到運放的電源軌，進而導(dǎo)致后端電路造成損傷，而增加電容“CL”，Ro可以保證 運放抵抗一定的干擾信號（無緣低通濾波）。當然電容的大小和得取決于電路得需求，高頻電路和低頻電路電容不同，但建議設(shè)計者保留焊接位置，方便調(diào)試。

案例2---對電源輸入端的電容

電源抑制是放大器抑制電源電壓變化的能力。 例如， 下圖顯示該抑制能力在低頻時很強，但隨著頻率的升高而減弱。因此，如果在高頻時的抑制能力較差，則此時會發(fā)生振蕩。

上圖中，當供電電源質(zhì)量一般，且沒有適當?shù)慕拥嘏月?a target="_blank">電容器為電源中的干擾信號提供低阻抗的回路，那莫電源的干擾會注入運放內(nèi)部，嚴重時候影響運放的輸出質(zhì)量，甚至造成震蕩。

上圖中電源供電端增加得電容就是為運放提供合適得電流返回路徑。我們通常對電容分析需從阻抗和儲能兩個邏輯點理解。低阻抗為AC提供低阻回路，當運放輸出帶有感性負載時候，電容的儲能效果更好一些。二者相輔相成，總之，放了沒壞處，一般電源引腳防止0.1uF電容既可以滿足大多數(shù)需求。前提是電源入口質(zhì)量需要足夠好。

一般認為外部電源產(chǎn)生的噪聲會干擾放大器。但運算放大器可能會出現(xiàn)其自身的問題。例如，輸出負載電流必須來自電源端子。在沒有適當旁路的情況下，電源端子的阻抗可能很高。這允許交流電 (AC) 負載電流在電源引腳上產(chǎn)生交流電壓。這會產(chǎn)生意外的、不受控制的反饋路徑。該電源連接中的電感可在電源引腳處放大生成的交流電壓。在高頻應(yīng)用時，由于電源抑制能力比較弱，這樣一個意外的反饋路徑可能會導(dǎo)致振蕩。

除此之外，當然也存在著來自內(nèi)部的影響因素。在沒有穩(wěn)定電源的情況下，內(nèi)部電路節(jié)點可能會相互影響，從而生成多余的反饋路徑。內(nèi)部電路被設(shè)計為在電源端子上具有穩(wěn)定的低阻抗。在沒有穩(wěn)定的低阻抗電源做基礎(chǔ)的情況下，放大器的行為可能完全不同并且不可預(yù)知。

當在輸入為無噪聲正弦波時，由于旁路較差而導(dǎo)致的意外反饋可能不是整潔的正弦波。電源端子中的信號電流（圖 67）通常會嚴重失真，因為它們僅表示正弦波電流的一半。由于正負電源上的不同電源抑制特性，凈效應(yīng)將使輸出波形失真。

這些問題會因高負載電流而放大。無功負載會生成相移負載電流，這可能會使問題更加嚴重。由于反饋路徑中的額外相移，電容性負載已經(jīng)具有更高的振蕩風(fēng)險。這些具有更高風(fēng)險的情況可能需要值更高的鉭旁路電容器，并且在進行電路布局、壓縮和導(dǎo)向時應(yīng)格外小心。

當然，并非所有旁路較差的放大器都會振蕩?？赡軟]有足夠的正反饋或相位不是十分正確（或者是錯誤的?。?，從而無法維持振蕩。但即便如此，放大器的的性能同樣可能會受到影響。過度過沖和較差的穩(wěn)定時間可能會影響頻率和脈沖響應(yīng)。

但事實上，您并不需要為旁路而瘋狂，被所有的這些顧慮折騰得憂心忡忡。您只需要警惕一些特殊的敏感情況以及具有潛在問題的跡象即可。