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。 一、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。 §12.2 含运算放大器电路的分析 含运算放大器电路分析的一般方法仍是节点法与回路法,但要充 分注意和利用"虚断"和"虚短"概念。