微弱信号放大器(关于运算放大器及零漂处理,你了解吗?)
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微弱信号放大器(关于运算放大器及零漂处理,你了解吗?)
运算放大器核心是一个差动放大器。
就是两个三极管背靠背连着。共同分担一个横流源的电流。三极管一个是运放的正向输入,一个是反向输入。正向输入的三极管放大后送到一个功率放大电路放大输出。
这样,如果正向输入端的电压升高,那么输出自然也变大了。如果反相输入端电压升高,因为反相三级管和正向三级管共同分担了一个恒流源。反向三级管电流大了,那正向的就要小,所以输出就会降低。因此叫反向输入。
当然,电路内部还有很多其它的功能部件,但核心就是这样的。
数字电路即为TTL或C-MOS逻辑电路,而谈到模拟电路,首先就应想到运算放大器。但是,这里讲的运算放大器是怎样一个器件呢?
简而言之,运算放大器是具有两个输入端,一个输出端,以极大的放大率将两输入端之间的电压放大之后,传递到输出端的一种放大器。
如果以电路符号来表示运算放大器,则如右图,可表示为三角形。它的两个输入部分分别叫做非倒相输入(1N+)和倒相输入(IN-)。它以极大的放大率将倒相输入端与非倒相输人端之间的电压放大,然后从输出端(OUT)输出。
在一个封装之中,放入一个运算放大器电路的称为单(Single)运算放大器,放入两个运算放大器电路称为双(Dual)运算放大器,放入四个运算放大器电路,称为四(Quad)运算放大器。使用四运算放大器的电路,比使用单、双运算放大器组装的电路板,面积可变得更小。在几乎所有的封装中,若为单运算放大器,则使用管壳型封装或8引脚双列式封装;若为双运算放大器,则使用8引脚双列式封装;若为四运算放大器,则使用14引脚双列式封装。并且,在一般情况下,引脚的排列一般是通用的,尽管也有例外,对业余爱好者使用的运算放大器来讲,可能只会使用以上几种封装方式。因此,弄清这种引线的分布方式,将非常方便。
运算放大器在电路中发挥重要的作用,其应用已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个领域,并将在支持未来技术方面扮演重要角色。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。在电子工程专辑网站举行的《运算放大器应用设计》专题讨论中,圣邦微电子有限公司总裁张世龙先生应邀回答与工程师进行互动。我们也基于此专题讨论,总结出了运算放大器应用设计的几个技巧,以飨读者。
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:
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。
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。
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。
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:
反馈电容 ESR 特性不好,随电荷量的变化而变化;
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;
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:
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;
采用同步检测电路结构,可以有效消除 offset 电压。
名词解释:
什么是运算放大器?
运算放大器(简称“运放”)是调节和放大模拟信号的器件,多用于做模拟运算的放大器, 主要的特点是差分输入/单端输出/直流耦合/输入输出工作点都在 0V等特点, 除了功率运放外一般不要求输出大的功率.。常见的应用包括数字示波器和自动测试装置、视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、计算机工作站和无线基站等。
什么是死区,零偏,零漂,回滞?
死区:指输入信号变化而输出信号没有相应变化的范围;
零偏:系统非“0”工作状态、固定1个“静态”输出的“偏置”;
零漂:因系统稳定性差,输出“零点”随机偏离原点的变化;
回滞:输入信号正反向变化到同一值,输出是2个不同值,这种特性叫“回滞”。
死区是二极管或三极管输入电压未达到一定值时,输出无信号,这个值是死区电压;
零偏是放大器基极电压为零,也叫零偏置;
零漂是放大器输入为零时输出不为零,也叫零点漂移。
回滞好象没有这个概念,问一下其它专家吧
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