运算放大器应用设计的几个技巧

Gavin-Herman

运算放大器应用设计的几个技巧
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。
、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，PSRR  比较低。
三、  如何解决运算放大器的零漂问题？
有网友指出， 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。
名词解释：
*  什么是运算放大器？
运算放大器(简称“运放”)是调节和放大模拟信号的器件，多用于做模拟运算的放大器,  主要的特点是差分输入/单端输出/直
流耦合/输入输出工作点都在  0V 等特点,  除了功率运放外一般不要求输出大的功率.。常见的应用包括数字示波器和自动测试
装置、视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、计算机工作站
和无线基站等。

Gavin-Herman

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易阳

好贴必顶！有些人就是害怕模电，我觉得这篇文章可以给真正玩电子的一个技巧方法。