運算放大器是模擬電路的核心,要掌握好模擬電路并熟練運用到設計中,掌握好運算放大器的使用是必須的,同時對運放的各參數的把握也是很重要的。
總體來說,運放在分析中記住兩個特性,一個是虛短,一個是虛斷,這兩個概念是構成各種應用電路最核心的前提。虛短,是指運放兩個輸入端之間的電壓近似短路,電壓相等。虛斷,是指運放兩個輸入端之間的電流通道是斷開的,輸入端之間沒有電流流過。有了這兩個概念,就可以分析所有形式的運放電路。但值得注意的是,這兩個概念成立的條件是運放需要構成合理的負反饋,否則不成立。這里不多提運放的基本知識。我在一次偶然的設計中,遇到電源電壓不夠的問題,當時運放的電源電壓是正負15V,而我需要輸出0-25V的電壓,若用一般的運放負反饋來做,則至多輸出0-15V范圍,但我想到對于-15V電壓,不就可以輸出0-30V電壓了?思路有了,便立即行動起來,繼續思考,其實問題的關鍵不在于運放能否輸出多少電壓范圍,而在于-15V的供電電壓本身也是有抖動的,不夠穩定,因為-15V電源電壓并不是嚴格的-15V,所以問題出現了,我不能夠直接將運放輸出的0-15V電壓疊加到-15V上,而必須將-15V電壓也引入到負反饋回路中去,于是一個思路形成,問題的重點在于如何構建合理的負反饋回路。最后形成如下所示的電路:
![](/uploads/allimg/171101/15491AU0-0.png)
上圖中,U5為主運放,由U6和U7一起構成負反饋形成回路,最后由U5對-VCC輸出。R10為匹配電阻,整分分析過程中可以將其忽略。U7構成1:1的反相放大器,對于U7,其輸出:
![](/uploads/allimg/171101/1549161Y3-1.png)
式中,由圖中參數R36=R33=100K,R31=190K,R32=10K得:U7out=-Uout/20。
U6構成1:1的反相加法器,由R34=R37可以得到到U6反相輸入端的應是兩個電壓之和:![](/uploads/allimg/171101/15491C922-2.png)
![](/uploads/allimg/171101/15491AA8-3.png)
由于是對-Vcc輸出,所以:URL=Uout-(-Vcc)=20Uin。從而可以得到更大范圍的輸出,此時Uin必須>0,因為輸出已不可能為負,整個電路的輸出范圍由以前的-VCC到+VCC變成0到2倍VCC,并且整個過程均有負反饋穩定輸出。
上面的設計最終滿足了要求,其關鍵在于將-VCC也引入到反饋回路中,使得輸出是對-VCC而言,而并非是對GND而言,于是增大了輸出范圍。上面的設計中,應該注意的是構成運放比例運算的電阻取值,應該適當偏大點,否則可能會引起更大的失調,而導致放大比例不準確,參數不對稱等問題。其實運放電路設計的難點在于反饋環路的設計,如何引入反饋,如何產生反饋電壓,都是設計中非常值得考慮的。
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原文標題:熟練運用運算放大器的心法
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