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运算放大器 - 笔记 01 - 实际运用
前言:因为最近因为智能车备赛要用到运算放大器,我想对比尝试更多方案,而不是直接“无脑”祖传方案(叛逆的小伙心理)。

一、 基本知识

首先,必定是先学习运放的基本知识。内部原理不深究,属于模电课本知识(好像是由几个三极管组成的,而三极管又是由二极管组成的……)。非要纠结的可以看看这篇笔记:模拟电子技术之运算放大器 ,感觉写得挺全的,和课本内容差不多,就是拿着曲线特性讲。我应用只关心它的外现特性(自造词),即“虚断”和“虚短”。个人的白话理解:前者指同/向反向输入端的电流情况,后者指同/向反向输入端的电压情况。当分析电流时就认为两个输入端是断路的,当分析电压时就认为两个输入端是短路的。然后结合基尔霍夫电压定律(也就说电流电压关系公式),就可以推导出总输出和总输入的比值关系,也就是运算放大器的增益A。知道虚断和虚短两个意思后(不能明白就暂时死记一下),然后就看几个经典电路分析,应该就能有概念了。推荐这篇笔记:运算放大器典型电路及原理 ,虽然公式列得不好看,但是图示和分析都挺全的。
二、 经典电路分析
在分析之前,先明白一点:关于运算放大器的同反向输入端,其实只是用于区分两个引脚的代号,并不是代表不同功能。(查自百度百科,原理,第一、二段)

1. 反相放大器

使用Multisim软件 - 工具 - 电路向导 - 运算放大器向导 - 反相放大器,可以快速生成,再自己加上示波器进行测试。源信号的频率减低到1Hz,方便观察图像变化。
分析我都直接注释在图上了,软件没有公式编辑器,所以看公式略显麻烦。(才发现原来翻译也有不读“向”读“相”的,不知道有什么区别)示波器显示如下图。

2. 同相放大器

因为软件工具向导里没有直接生成的,在反相的基础上修改一下即可。分析同样都在图上了。我不赘述了。示波器显示如下图。

3. 总结

我尝试把"反相放大器"和“同向放大器”的运算放大器的输入端引脚交换后观察图像,发现输出并没有变化。证实了“2个引脚只是代号不同,功能上是一样的”。
在实际电路中根据情况,是有全部别。这是个小坑,下一节“实战运用 ”说明。
所以分析运算放大器电路时主要就是依据“虚短”和“虚断”来推导增益。
还有很多经典电路,比如:加法器、减法器、跟随器、比较器之类的。同时,还有一些使用的注意事项:运算放大器使用的六个经验。大部分我都没用过,就不说了。
三、实战运用
举两款实际使用的运算放大器芯片:LMV358和OPA4377。目前我只用过这两款,是用来放大“电感切割磁感线”时产生的电压。设计需求:输入为幅值200mV的正弦波,要求输出直流电压,连接至MUC(单片机)的AD口。
另外输入的正弦波还有频率200KHz等特性,我暂未深究运算放大器的其他特性,目前针对说明“能用”就行的放大电路怎么设计,比如调放大系数、整流滤波等。

1. LMV358

这款运放IC很便宜,某宝 上八引脚双路的封装一般价格在一元RMB左右。关于相关特性的介绍,推荐卓大大推文:实验电路的放大器伴侣:LMV358。
LMV358型号还有很多不同的后缀命名,琳琅满目看不过来。初选电子原件直接晕了,其实只是厂家和部分参数不同,我觉得个人普通使用应该没什么差别。
LMV358输入电压范围Vcc = 2.7 to 6V,供电电压决定了运算放大器输出的最高电压,比如:3.3V供电,放大后的输出电压最大就是3.3V。在触碰到最大极限前可按照放大系数A计算输出电压,如果超过了就只会保持在3.3V。一般要求输出最大电压不宜错过单片机的工作电压,以免“冲”坏单片机AD口引脚。所以只需要设置为和单片机一样的供电电压(存疑),就可以。 常见的有5V和3.3V。
重点分析:另一个问题,如果一个3.3v单片机要读取255的AD值——即可能接收略大于或等于3.3v的AD输入。那运放也设置3.3v电源的话,那就不能到达满值了(?)。因为如果输出超过3.3v后,输出的就是方波,而不是输出原输入波形,这样就不好…(比如在OPA4377应用中)…所以应该还是3.3v单片机使用时,运放就设置5v的电源。AD输入电压稍微大一点的话,应该不会太大问题。
LMV358-8P有2路运放,但只有一对正负极,在Multisim软件中也只需要连接其中一对即可,另一对引脚会自动被标上“红叉”。
我只用其中一路作示范,对比上一节的同相放大器电路图,输入源、R1和R2的参数变了。为了能调节输出电压的大小,把R1换成电位器(滑动变阻器)。改变R1的阻值就可以改变放大系数A,可以用来适应不同的输入输出场景。下图为示波器显示。
根据波形幅值可以计算放大了3倍多,同时有较明显的滞后延迟1.065us(占了一个周期5us的20%,还是很大的)。这好像是的LMV358的固有特性,如果把频率设置低一些,周期比较长时对比1us的延迟就可以忽略不计了。(不能解决问题就解决提出的问题的)提出问题 :为什么输出没有了负电压的部分?!查了一下后知道,因为供电是直流供电而不是正负电源供电,所以不会输出负电压。本来想试试把输入的正负极发过来,但却仿真报错了,然后才想起来,LMV358工作电压范围已经限死了。提出问题 :如果将同反相输入端再次交换,还会像之前那样输出不变吗?仿真后发现输出完全没电压,也就是说如果交换的话,输入就相当于负电压了,输出就直接为零。之前的实验中使用的都是软件自带运放模块,不用手动接电源,可以输出正负电压。所以其实反接之后波形相位应该发生了变化,其实我没发现。
所以其实在实际应用中,同反相是不能随意交换的。特别是直流电,在同相放大器中,输入信号一定要同相端输入,反馈信号一定是反相端输入。

2. OPA4377

关于OPA4377与LMV358的对比,也推荐卓大大的推文:OPA4377低噪声5.5MHz带宽CMOS运放。另外,立创平台也有一个基于OPA4377的开源电路设计:OPA4377八通道运放 开源。基于这个开源电路,我在Multisim软件也搭建了一样的电路作测试(对应的模块居然都有,好强大的软件),下面围绕这个开源电路讲几个知识点。
OPA4377含有四路运算放大器,在上图设计中每一路都是一样的(强迫症,为了完全对称,我复制粘贴镜像画的)。所以只取其中一路来讲解。以下就是其中一路的仿真图,上面的原理图“不好看”,下面的仿真图特意按前几次试验的形式摆放反馈电阻。所以直观很多。

1) 基础同相放大器部分

先看左半部分的同相放大器部分,熟悉了不少。不同的是多了2个电阻。一个是输入端的限流电阻,一个是输出端的限流电阻(?),如果因为R3电位器可调,如果R3过小的话放大系数A就会接近1(相当于跟随器?)。为了设定一个最小放大系数和限流,所以也加了一个电阻。另外,为了方便计算,A - 1 = (R3 + R4) / R1。R1选值时就选择10的倍数。
因为输入是幅值0.2V,我使用的是3.3V单片机,所以设置运放工作电压5V(根据上一节中 “重点分析” 的内容)。然后,输入0.2V,要求输出在2V~3V就差不多了。也就说放大10倍左右,所以我R3+R4设置了147k~47k之间变化。下图为示波器显示。

2)整流滤波部分

百度百科:将交流电变换为直流电称为AC/DC变换,这种变换的功率流向是由电源传向负载,称之为整流。经过运算放大部分后,我们已经得到了正弦波的正电压部分,单片机AD读取需要较稳定的直流电。所以需要整流滤波。
其实我也不怎么会,下面是我自己学习时的测试试验。另外,推荐一篇笔记:吃透一切整流滤波电路,(发现挺多内容模电书上也有)。
①:模拟半波输出
从波形上看,正弦波经过直流的同相放大器后得到的半波形,就有点类似半波整流的效果。不过没有放大效果,而且还因为二极管压降了一点电压……电路图和波形图如下。
因为波形图是类似的,所以暂时使用上图电路代替运算放大器的输出波形。
②:输出串联电容
然后串联一个电容看看效果。通过波形图可知加了电容后对输出是没影响的(为了方便查看把A通道的Y轴下移了0.2V,不然就会重合在一起看不出2条线)。然后“反推”一下,电容的特性是隔直流同交流,也就是如果电压是变化的就跟着变化(持续充放电),如果电压是不变的输出就是0V(电容充满电后断路)。刚好,输入的半波波形的不变电压部分也是0,变电压部分则跟着变化,所以输入输出图像就一致了。加个负载模拟真实情况,如果不加的话可能输出不一样。比如下面增加稳压二极管后的情况,如果不加负载处于开路状态,连压降都不会有。还发现个问题,原来波形是在变化的,一直下降,看③说明。根据波形还会下降的现象,上面的反推应该是错误理解。
③:输出串联稳压二极管
再增加一个1N5819G稳压二极管,对比经过前后的波形,会发现输出的还是半波,而且因为压降电压有所下降了。不过经过时间的推移,波形很快就产生了变化。
仿真软件显示才过去几ms,波形就变化成如下左图了。两个波形是一起慢慢下滑,然后红色的输出波形也开始慢慢有点变形。下右图是②试验中,经过一定时间后的图像。之后,我又放置了一段时间,发现波形下降到一定程度后就不下降了,稳定在一个高度。这时候再对比左右图,才得到加了1N5819G稳压二极管后的差别。
2021.05.15:我现在还不知道为什么串联一个电容后波形就会明明下降,然后稳定在一个高度。最后的效果就是输出一半负电压一半正电压了。
④去除负电压
显然我们并不想要负电压,为了去除负电压,在对地之间再加上一个1N5819G稳压二极管。这样就图像就不会下降了,稳定的输出真半波波形。*我再反推理解一下,二极管只能正向导通,所以如果对地接一个二极管,那就不会出现比地还低的电压。*波形图显示如下。(不知道为什么橙色线又有点上升了,2333)
⑤滤波电路
最后我们再加上最简单的电容滤波电路,从波形图上可以看出,经过一个简单滤波电路后输出的就是直流电了。
因为加上滤波电路后形成了回路,所以把负载电阻去掉。这样更加符合假设的AD读取情况。
⑥总结
没想到其主要作用,将半波转换为直流的是最后一步的滤波电路。在实验分析之前我还以为是1N5819G稳压二极管的作用。然后我再做 “去电容和二极管” 的对比实验。
然后根据波形图,可以明显发现,加了电容和二极管后的输出是更加稳定的。所以还是很有必要添加的。特别是实际应用中不算稳定的正弦波输入。

3)基本放大器 + 整流滤波

最后,把1)和2)两部分结合起来,就是开源电路的设计了。再把一路拷贝四份组合就是一个完整的应用电路。
对比四点的波形图,加深理解。最后提醒一下注意事项,运算放大器使用的六个经验。
还有很多其他滤波电路方案,推荐各位自行尝试。这一篇笔记就到这里了,谢谢阅读。另外,波形图的曲线颜色我几乎一直在变,如果不细心点看的时候可能都找不到对应的线,实在不好意思。