運算放大器應用設計的幾個技巧

370643360 · 發(fā)表于 2017-1-12 21:45:52

運算放大器在電路中發(fā)揮重要的作用，其應用已經(jīng)延伸到汽車電子、通信、消費等各個領域，并將在支持未來技術方面扮演重要角色。在運算放大器的實際應用中，設計工程師經(jīng)常遇到諸如選型、供電電路設計、偏置電路設計、PCB設計等方面的問題。在電子工程專輯網(wǎng)站舉行的《運算放大器應用設計》專題討論中，圣邦微電子有限公司總裁張世龍先生應邀回答與工程師進行互動。我們也基于此專題討論，總結出了運算放大器應用設計的幾個技巧，以饗讀者。

一、如何實現(xiàn)微弱信號放大？

傳感器+運算放大器+ADC+處理器是運算放大器的典型應用電路，在這種應用中，一個典型的問題是傳感器提供的電流非常低，在這種情況下，如何完成信號放大？張世龍指出，對于微弱信號的放大，只用單個放大器難以達到好的效果，必須使用一些較特別的方法和傳感器激勵手段，而使用同步檢測電路結構可以得到非常好的測量效果。這種同步檢測電路類似于鎖相放大器結構，包括傳感器的方波激勵，電流轉電壓放大器，和同步解調三部分。他表示，需要注意的是電流轉電壓放大器需選用輸入偏置電流極低的運放。另外同步解調需選用雙路的SPDT模擬開關。

另有工程師朋友建議，在運放、電容、電阻的選擇和布板時，要特別注意選擇高阻抗、低噪聲運算和低噪聲電阻。有網(wǎng)友對這類問題的解決也進行了補充，如網(wǎng)友“1sword”建議：

1)電路設計時注意平衡的處理，盡量平衡，對于抑制干擾有效，這些在美國國家半導體、BB(已被TI收購)、ADI等公司關于運放的設計手冊中均可以查到。

2)推薦加金屬屏蔽罩，將微弱信號部分罩起來(開個小模具)，金屬體接電路地，可以大大改善電路抗干擾能力。

3)對于傳感器輸出的nA?級，選擇輸入電流pA?級的運放即可。如果對速度沒有多大的要求，運放也不貴。儀表放大器當然最好了，就是成本高些。

4)若選用非儀表運放，反饋電阻就不要太大了，M歐級好一些。否則對電阻要求比較高。后級再進行2級放大，中間加入簡單的高通電路，抑制50Hz干擾。

二、運算放大器的偏置設置

在雙電源運放在接成單電源電路時，工程師朋友在偏置電壓的設置方面會遇到一些兩難選擇，比如作為偏置的直流電壓是用電阻分壓好還是接參考電壓源好？有的網(wǎng)友建議用參考電壓源，理由是精度高，此外還能提供較低的交流旁路，有的網(wǎng)友建議用電阻，理由是成本低而且方便，對此，張世龍沒有特別指出用何種方式，只是強調雙電源運放改成單電源電路時，如果采用基準電壓的話，效果最好。這種基準電壓使系統(tǒng)設計得到最小的噪聲和最高的PSRR。但若采用電阻分壓方式，必須考慮電源紋波對系統(tǒng)的影響，這種用法噪聲比較高，PSRR比較低。

三、如何解決運算放大器的零漂問題？

有網(wǎng)友指出，一般壓電加速度傳感器會接一級電荷放大器來實現(xiàn)電荷——電壓轉換，可是在傳感器動態(tài)工作時，電荷放大器的輸出電壓會有不歸零的現(xiàn)象發(fā)生，如何解決這個問題？

對此，網(wǎng)友“Frank”分析道，有幾種可能性會導致零漂：1)反饋電容ESR特性不好，隨電荷量的變化而變化；2)反饋電容兩端未并上電阻，為了放大器的工作穩(wěn)定，減少零漂，在反饋電容兩端并上電阻，形成直流負反饋可以穩(wěn)定放大器的直流工作點；3)可能挑選的運算放大器的輸入阻抗不夠高，造成電荷泄露，導致零漂。

網(wǎng)友“camel”和“windman”還從數(shù)學分析的角度對造成零漂的原因進行了詳細分析，認為除了使干擾源漂移小以外還必須使傳感器、纜線電阻要大，運放的開環(huán)輸入阻抗要高、運放的反饋電阻要小，即反饋電阻的作用是為了防止漂移，穩(wěn)定直流工作點。但是反饋電阻太小的話，也會影響到放大器的頻率下限。所以必須綜合考慮！

而嘉賓張世龍則建議，對于電荷放大器輸出電壓不歸零的現(xiàn)象，一般采用如下辦法來解決：

1)采用開關電容電路的技巧，使用CDS采樣方式可以有效消除offset電壓；2)采用同步檢測電路結構，可以有效消除offset電壓。