关于运算放大器的几个容易忽略的问题

关于运算放大器的几个容易忽略的问题

1：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？

ANSWER: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。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。另外，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。同时还应考虑以下几点：(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。

2：在双电源运放在接成单电源电路时，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？

ANSWER:其实用何种方式不是绝对的。需要知道的是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。

3：一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（零漂现象）发生，如何解决这个问题？

ANSWER: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。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。另外，除了使干扰源漂移小以外还必须注意传感器、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（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）。

4：正向放大器和反向放大器除了放大倍数的计算不一样外，还有其他不同吗？在不计较正反向的前提下，选哪种对信号质量好一点？

ANSWER:两者除了放大倍数的计算不一样外，还有输入阻抗，运算电流的流通途径与共模输入电压等不同。同向放大器输入阻抗高，不从前级信号源吸取电流或吸取极少，这是优点；反向比例器则需要运算电流Iop=Vi/Ri，这是缺点。但反向比例器的运算电流只在正负电源

和和运放输出端之间流动，不会进入参考地线(实际上，其阻抗并不为零)，容易形成信号干扰(直流约十微伏量级或更大,交流甚至达几毫伏量级)。而这正是同向放大器不能避免的情况。同向放大器的共模输入电压Vicom=Vi，而运算放大器的CMRR--共模抑制比通常为：60dB-110dB(@DC-10Hz,并随频率升高而降低)，约引入0.1%-3ppm的运算误差。相比之下，反向比例器Vicom=0V，没有此误差项。另外，同向放大器的公式K=1+Rf/Ri也使运算电阻的选配比较麻烦。因此，在多级比例放大的情况下，可以优先考虑反向比例器。

5：在放大倍数一定的情况下，电阻的值的大小有无严格规定，阻值的大与小有关系吗？比方说：放大倍数k=r1/r2，r1=100k，r2=10k 和r1=10k，r2=1k，虽然k 相同，但电阻不同，效果有什么不同呢？

ANSWER: 关于运算电阻大小的选择，由于通用运放的典型最大精密输出电流不超过10mA，较大运算电流会造成芯片发热，导致直流零点的漂移，形成直流运算误差。因此，在要求直流运算精度较高的情况下，控制最大总输出电流，通常不超过3mA。使用反向比例器时，这里需要包括本级与后级的运算电流；而同向放大器不需要前级负载，减轻了前级的负担。减小运算电流，运算电阻就高。由此引入两个问题：(1)Rf与Cf(杂散分布等效并联电容约3pF-10pF)的时间常数(如100K*10pF=0.1uS)会限制信号带宽，不过对LM324 这种低速运放的应用，不会有明显影响；(2)会引入由于Ib 引起的直流误差Ibmax*Rf(如:0.1uA*10K=1mV)，不过，通过精心匹配补偿(参考ADI 公司的运放相关文献,网站上有)和选择Ib 小的运放，仍能获得较高的运算精度。

6：想要实现6 级运放，是用一个4 运放（lm324）和2 运放（lm358），还是用3 个2 运放（lm358）？

ANSWER:若要求运算精度高，建议单运放封装。以减少多运放内部的热反馈，提高直流精度；若精度许可或有成本或小空间要求，可酌情采用多运放。