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  • 该文档是根据本人入职硬件工程师所做的第一个项目为基础总结而来的,主要是利用运算放大器将微弱的差分电压放大来实现信号的识别和处理,并以此电路为基础,设计了十路并行工作的电路板,该电路目前在宁钢钢铁厂运行...
  • 使用运放设计的40倍差分放大电路,偏置电压1V,测试时发现输入0V时,5pcs有1pcs输出约1.17V,跟预期的不符,应该输出都是1V才对。 这里补充下差分放大电路相关的设计: 如上图,依旧遵循运放的虚短和虚断特性...

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    目录

    【问题】

    【问题定位】

    【问题根因】

    【解决方法】

    【运放的选型参数】


    【问题】

    使用运放设计的40倍差分放大电路,偏置电压1V,测试时发现输入0V时,5pcs有1pcs输出约1.17V,跟预期的不符,应该输出都是1V才对。

    这里补充下差分放大电路相关的设计:

    如上图,依旧遵循运放的虚短和虚断特性,当R56=R40,R47=R55时,差分计算可以简化为:

    当需要加偏移电压时,就是下面的效果:在有ADC不支持负压时,加偏移电压很有用。

    根据叠加原理:

    【问题定位】

    1)做交叉测试:即OK的外围电路上的运放A,和到确认有问题的外围电路上的运放B互换,交叉测试后故障跟随运放B走,这时可以确认是这个运放B的问题了。

    2)再次更换全新的运放V替换运放B:做这一步是为了再确认下是不是焊接的时候,或其他操作导致运放故障了(虽然这种可能性很小,但是严谨一些吧),所以更换个全新的运放做下确认,结果出乎意料,问题又复现了,这时意识到问题应该没有这么简单,这是一个偏共性的问题。

    3)查看运放的手册,确认这个运放的参数:

    可以看到这个运放的输入失调电压有点太大了,最大值+-4.5mV,按我们电路设计的40倍放大,4.5mV*40=0.18V,0V输入时叠加1V的偏置就是1.18V,和实测的现象是吻合的。

    【问题根因】

    经过一系列的折腾,最后确认是运放选型没有做好,这个运放的输入失调电压太大了,而且确实影响到了设计应用,前端的差分信号最小就会到5mV,这样的失调电压会导致测出的信号不准确。

    【解决方法】

    重新进行运放选型,选一个输入失调电压小一点的运放MCP6V14,输入失调电压仅8uV,经实测输入0V,输出1V,基本没有影响。

    【运放的选型参数】

    正好把运放的选型参数整理了下,后面不能再犯这样低级的错误了,以下部分参考

    1、输入失调电压 VIO(input offset voltage):

            集成运放输出端电压为零时,两个输入端之间所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性,对称性越好,输入失调电压越小。一般Vos约为1~10mV,高质量的运放Vos在1mV以下。

    2、输入失调电压温漂(Input Offset Drift with Temperature):ΔVOS/ΔTA

            在给定的温度范围内,输入失调电压的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电压的补充,便于计算在给定的工作范围内,放大电路由于温度变化造成的漂移大小。一般运放的输入失调电压温漂在±10~20μV/℃之间,精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃

    3、输入失调电流 IIO(input offset current)

            当运放的输出直流电压为零时,其两输入端偏置电流的差值。输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性,对称性越好,输入失调电流越小。

    4、输入失调电流温漂:

            在规定工作温度范围内,输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。它是指II0 在规定工作范围内的温度系数,也是衡量运放受温度影响的重要指标,通常约为(1~50)nA/C,高质量的约为几个pA/C。

    5、差模开环直流电压增益 (open loop voltage gain) :

            差模开环直流电压增益定义为当运放工作于线性区时,运放输出电压与差模电压输入电压的比值。由于差模开环直流电压增益很大,大多数运放的差模开环直流电压增益一般在数万倍或更多,用数值直接表示不方便比较,所以一般采用分贝方式记录和比较。一般运放的差模开环直流电压增益在 80~120dB之间。实际运放的差模开环电压增益是频率的函数,为了便于比较,一般采用差模开环直流电压增益。

    6、共模抑制比 (common mode rejection ratio) :

            电源电压抑制比定义为当运放工作于线性区时,运放输入失调电压随电源电压的变化比值。电源电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影响。目前电源电压抑制比只能做到80dB左右。所以用作直流信号处理或是小信号处理模拟放大时,运放的电源需要作认真细致的处理。当然,共模抑制比高的运放,能够补偿一部分电源电压抑制比,另外在使用双电源供电时,正负电源的电源电压抑制比可能不相同。

    7、转换速率 (压摆率)(slew rate)SR:

            运放转换速率定义为,运放接成闭环条件下,将一个大信号(含阶跃信号)输入到运放的输入端,从运放的输出端测得运放的输出上升速率。

    由于在转换期间,运放的输入级处于开关状态,所以运放的反馈回路不起作 用,也就是转换速率与闭环增益无关。转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标,对于一般运放转换速率SR<=10V/μs,高速运放的转换速率 SR>10V/μs。目前的高速运放最高转换速率SR达到 6000V/μs。这用于大信号处理中运放选型。

    8、电源抑制比:PSRR(power supply rejection ratio)

         PSRR是反映电源的供电电压的纹波对输出电压的影响的重要参数。PSRR值越高越好。

         计算公式为PSRR = 20log[(Ripple(in) / Ripple(out))]。例如:AD8541的的PSRR典型值75.假设供电电源纹波为20mV,那么反映到输出电压的纹波为3.6uV(自行计算)。

     

    以上是运放的常见基本参数,下面对运放的一些其他参数和性能做解释。

    →建立时间:

         建立时间定义为,在额定的负载时,运放的闭环增益为1 倍条件下,将一个阶跃大信号输入到运放的输入端,使运放输出由0 增加到某一给定值的所需要的时间。由于是阶跃大信号输入,输出信号达到给定值后会出现一定抖动,这个抖动时间称为稳定时间。稳定时间+上升时间=建立时间。对于不同的输出精度,稳定时间有较大差别,精度越高,稳定时间越长。建立时间是一个很重要的指标,用于大信号处理中运放选型。

    →输出阻抗:

         输出阻抗定义为,运放工作在线性区时,在运放的输出端加信号电压,这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。在低频时仅指运放的输出电阻。这个参数在开环测试。

    →单位增益带宽GB:

         单位增益带宽定义为,运放的闭环增益为1 倍条件下,将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端,从运放的输出端测得闭环电压增益下降 3db(或是相当于运放输入信号的0.707)所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标,对于正弦小信号放大时,单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积,换句话说,就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增以后,可以计算出单位增益带宽,用以选择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。

     

    作于202106081810,已归档

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  • 差分_运放_运算放大
  • 运放差分放大电路

    千次阅读 2019-01-18 09:37:47
    放大器的传递函数为:   若R1 = R3 且R2 = R4,则公式 1 简化为: 应用电路: 电路一: 用运放做电流采样,再用单片机AD采集处理。 注: 1、Rp10、Rp11、Cp8、Cp9,是对输入做的RC滤波,后面的Rp15和Cp11是对...

    在这里插入图片描述
    该放大器的传递函数为: 在这里插入图片描述
      若R1 = R3 且R2 = R4,则公式 1 简化为:
    在这里插入图片描述

    应用电路:

    电路一:

    用运放做电流采样,再用单片机AD采集处理。

    在这里插入图片描述

    注:

    1、Rp10、Rp11、Cp8、Cp9,是对输入做的RC滤波,后面的Rp15和Cp11是对输出做的RC滤波。

    2、Rp16是为了防止运放输出不够低的现象,电阻的阻值不宜过大过小,根据运放的阻抗选择。

    3、Dp6是为了防止输出端电压过高,烧坏CPU的IO口。

    4、Rp12 = Rp13,Rp14=R10。 Vout = Rp14/Rp12 *(Vin+ -Vin-)。

    电路二:
    在这里插入图片描述

    注:

    差分放大电路不再说了,这个电路是为了避免运放到了输出低端非线性的问题。

    Vout = Rc9/Rc8 * (Vin±Vin-) +基准电压值。具体的计算过于复杂,不再说明。

    注:转载至https://www.cnblogs.com/zhaoyanan/p/7831226.html

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  • 差分运算放大电路,对共模信号得到有效抑制,而只对差分信号进行放大,因而得到广泛的应用。1、如下图是差分电路的电路构型目标处理电压:是采集处理电压,比如在系统中像母线电压的...差分放大电路:①反馈,对于...

    差分运算放大电路,对共模信号得到有效抑制,而只对差分信号进行放大,因而得到广泛的应用。

    1、如下图是差分电路的电路构型

    15a026485e12201eaf0f4c49b945b979.png

    目标处理电压:是采集处理电压,比如在系统中像母线电压的采集处理,还有像交流电压的采集处理等。

    差分同相/反相分压电阻:为了得到适合运放处理的电压,需要将高压信号进行分压处理,如图中V1与V2两端的电压经过分压处理,最终得到适合运放处理的电压Vin+与Vin-。

    差分放大电路

    ①反馈,对于运算放大电路来说,运放工作在线性区,所以这里一定是负反馈,没有反馈(开环)或者是正反馈,那是比较器电路而不是放大电路,这时候运放工作在饱和区或称为非线性工作区,正因为饱和,输出才是电源电压的幅值。

    如下图是一种带正反馈的运放电路,这里就不能叫运算放大电路了,因为运放的开环放大倍数理想是无限大,当然实际中不可能无限大,所以如下结构是迟滞电压比较器,运放工作在非线性区或饱和区。

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    如下图,依然是电压比较器结构,上面已经提到,运放开环增益很大,不带负反馈,工作就如非线性区,当做电压比较器来使用。

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    运算放大器,反馈电阻从输出接到反相端"-"就是负反馈,当然在输出信号不超过电源电压时(注:一切信号的能量来源是电源,输出当然不可能超过电源幅值),实现的功能就是放大信号的功能;接到同相端"+"就是正反馈,电路功能是电压比较器。当然在实际当中我们并不提倡用运放去做电压比较器,而是选用专用的比较器,如LM339、LM393、LM211等,因为比较器和运放在实际当中内部器件的工作状态还是有区别的。

    比较器接了限流电阻—"R74、R77",这是因为比较器在幅值切换时,快速上升或下降沿对后级容性负载进行充放电,这个充放电电流确来自这个有源器件—比较器,因此加限流电阻目的是防止电流冲击。

    RC滤波:可以酌情调节,目的是防止输出过冲等信号失真问题

    2差分输入电压的计算

    如下电路,为了便于计算,我们给定每个阻值,差分电路的另一个特点是对称性,R40=R56以及R47=R55,差分分压两个之路电阻也是相等的。

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    Vin+和Vin-的值是如何计算的,我们先通过繁琐的计算来得到,然后再简化计算

    首先,运放的同相端5引脚和反相端6引脚,利用"虚短"得到,其中系数6是指6个100k的电阻,方便简化式子

    94169322030326002e1549a02537940c.png

    那么通过分压关系得到Vin+

    8554351837b42bf499cd5762929eae66.png

    再次通过分压关系得到Vin-

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    6a7276aaaca30446441e0cc1533410b4.png

    那么就得到Vin+ - Vin-的值

    其实还有一种简单方法得到Vin+ - Vin-的值,利用运放的虚短特点,可将电路等效为

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    67095b044df01a3aa88847c5f4db3a46.png

    所以要计算Vin+ -Vin-的值,变得很容易,只是一个简单的分压电路而已,如下计算得到

    bcfb7019689668642e0e9aed560b5b0e.png
    826e213f5c38753bcd594f52ac67e27c.png

    得到差分电压输入值是0.84V

    3差分放大电路的计算

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    计算公式推导,依旧遵循运放的虚短和虚断特性,当R56=R40,R47=R55时,差分计算可以简化为:

    5dfe985482c715aa20587d72a6ffa377.png

    实际应用电路中,我们为了简化计算,也是用最简方法计算,经常使用电路也是使用上述电路,令电阻相等关系,简化计算。

    4放大电路的"偏移计算"

    为什么要对输出电压进行偏移,这是因为如当你采集负值时,我们的采样芯片和MCU几乎都不支持负值采样的时候,你就必须进行偏移,使得输出总是为正值。

    偏移电路,如下图,在原来同相端电阻接地GND的地方,我们接一个电压值,通常也称为偏移电压,那么最终表达式是什么。

    f8b0ac3abd331f485d684ed12647fa57.png

    通过叠加定理最终得到

    e687df0eee9df34702d845556b3958bc.png

    这里公式的成立,保证R64=R72,R73=R57,那么最终得到偏移公式是在原来基础上加个电压偏移量2.5V_Ref

    718e13294e32b48be1b118897fd38169.png

    只要根据实际应用选择合适的偏移量,输出总会为一个正值

    比如,如下电路,输入电压变为-100V,那么最终输出电压就为

    55b73d9a005707c70b1050893d16353c.png
    a8c64f70ee6a73a6b19c3d9def60ce53.png

    这样就将负电压偏移为正电压,处理器符合处理器处理要求了,偏移电路在采集如交流电、以及存在负直流电压的控制电路中广泛使用。

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  • 一个标准的运放差分放大器电路如下:当电阻R1 = R2和R3 = R4时,上述差分放大器的传递函数可以简化为以下表达式:增益 Gain = Vout / (V2 - V1)全差分电路是使用两个差分电路进行组合,但是在第二组差分放大器(B)...

    一个标准的运放差分放大器电路如下:

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    当电阻R1 = R2和R3 = R4时,上述差分放大器的传递函数可以简化为以下表达式:

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    增益 Gain = Vout / (V2 - V1)

    全差分电路是使用两个差分电路进行组合,但是在第二组差分放大器(B)输入时翻转 V1 和 V2 输入方向,此时得到 Vout_B = - Vout_A。

    5c88bc6a1f2c53cc9e709272a979e71e.png

    增益 Gain = (Vout_A - Vout_B) / (V2 - V1) = Gain_A + Gain_B

    使用全差分电路,可以实现单端信号与差分信号的互相转换,假设 V1 = 0V,即 V1 接地的单端信号输入,那么 A B 两个部分就分别输出非反向信号和反向信号,转换为差分信号。假设增益 Gain_A = Gain_B = 1,那么单端转平衡时将放大两倍(无论输入信号是差分还是单端)。差分转单端时可以理解为分别使用 A B 两部分单独转换,只是 Vout_B 与 Vout_A 相反,但是都可以对地作为单端输出使用。

    一个双通道运放可以通过 8 个外围电阻构建简单的单通道全差分放大器,使用简单又易于布板,在处理单端与差分互相转换时非常方便。

    参考链接: https://www. electronics-tutorials.ws /opamp/opamp_5.html https:// sound-au.com/project176 .htm
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双运放差分放大