从零学运放—05 单电源运放电路的实例
从零学运放—05 单电源运放电路的实例
电路1、单电源MIC放大电路
*常见驻极体MIC（常见咪头，当然也有动圈的用的少），需要偏置电压才能工作，给偏置电压电路才能输出电压信号。那么咪头很容易引起低噪，因为有偏置电压。
*电源噪声极易引起低噪，故需要相当干净的电源，给MIC偏置电压我们在这里通常有如下两种做法
独立LDO供电
牺牲一路运放产生电源，同相端两电阻做分压，在加个电容低通滤波来提供电压。
*音频对噪声敏感，就是说稍微有一点噪声我们就可以从耳机或者喇叭里就可以听出这个噪声（比如吱吱声、电流声、射频干扰的吱吱声），对运放要求就高，故运放需要选择低噪声的运放。低噪声运放相对价格还是蛮贵的，尤其带宽稍微宽一点的低噪声运放。所以我们可以注意到大部分麦克风低噪是比较明显的，几十毫伏的低噪我们耳朵是可以听出来的。
*一般放大几十倍到上百倍（要看我们MIC。MIC分几种情况，一般我们会选择方向性的，比如说在120度范围内灵敏度会很高，在另外其它的角度下灵敏度就大幅的衰减，这就称为方向性的MIC；还有一种是全相性的MIC，他会把环境的噪声就是背景噪声都会识进来，都会产生一个电压输出，那这个时候的滤波就急难处理，就是背景噪声滤除的话比较难处理，当然也不是说没有方法，也是有方法的，也有硬件的方法也有软件的方法，只是处理起来会麻烦一些。我们大部分选择的麦克风都是有方向性的，一般是选120度），有经验公式
由于我们的放大倍数不是特别大，最多上百倍，我们用经验公式去算，因为音频最大频率是20Hz~20KHz这个范围。
20KHz*放大倍数*N（5~10）<=GBP
用上边的公式来选取合适的低噪运放。那么在这里如果用上边的公式去套的话，对运放的要求就很宽了。比如前面的LMV721，它是10MHz的带宽，算下来还是蛮宽裕的这个余量。
电路中电源的产生
*推荐LDO电路
*选择PSRR（电源纹波抑制比，一般的LDO都能做到50dB以上，但是我们在音频系统中推荐70dB以上的）高的LDO。电源纹波抑制比跟运放的纹波抑制比是一个概念，它都是随着频率而变化的，那么我们要仔细的看规格书中的PSRR值它是一个曲线，频率越高这个值就越小，并且这个曲线的变化还是蛮剧烈的，你可以看到在1MHz以上大部分LDO的PSRR都将到20-30个dB上去了。而感染噪声恰恰都是高频的，这个时候呢高频噪声会透过LDO的输入到输出，也就是LDO的对噪声衰减度很小了，尤其是1MHz以上的话。那像这种高频噪声我们怎么滤除它呢，主要是靠RC滤波电容，因为你是高频吗，高频很好滤除，一个小电容就可以把它旁路掉了。那么我们在用LDO的时候输入（IN）输出（OUT）的电容一定要靠近管脚，当然这个电容你可以用2个替换掉图中的1uF电容，比如一个大的一个小的，大的10uF，小的0.1uF或者大的4.7uF，小的0.1uF，输入输出都换成2个，就是既可以滤高频又可以滤低频。当然这是LDO端。那对应到运放端电源供电脚也是这样的，你可以用一个电容也可以用2个电容，就是1大1小两个电容，这样对噪声的滤除效果会更好。
*推荐用一路运放电路产生电源，就是下边的电路，就是产生虚地的电路是一模一样的。
*R1/R2分压设置Vout电压，通常取20K~200K
*R3通常取5.1~100欧姆即可
一般MIC偏置电压我们选择3V，在MIC的规格书里会给出这个范围值，比如从2.5~5都是有的。那么我们可以根据我们的供电系统选择一个合适的值。R1和R2分压之后呢会经过C1形成一个低通滤波，那C1呢我们可以选择大一点，因为根据公式1/2πRC这个公式可以计算出来如果这个C1我选的特别大，那我的转折频率点就会很低，那也就是说我输出来的直流电压会很干净，就会把高频部分全部滤掉，当然它毕竟是一阶的低通滤波，它的滤波效果还是没有那么好，但是你说有没有必要用二阶或者高阶的滤波电路呢，在这里看没有那个必要，一阶低通滤波就够用了。而R3呢这里选择就适当的选小一点，因为他的输出是给到MIC去的，做MIC偏置电压的，而MIC的内阻一般是2K（驻极体MIC），偏置电压不能直接加到MIC上必须加个电阻分压才能加到MIC上，所以说我们这个R3的取值就不能那么大了。
单电源MIC放大电路1
*电源单独由一颗LDO产生
*MIC偏置电压由一路运放产生
我们来看下上边的电路，这是一个比较典型的应用电路，就是采用一路运放或者LDO也行经过R1再到MIC，那么在MIC前的电路就是提供了一个偏置电压，那MIC内阻是2K或者2.2K这样的范围，它形成一个分压，那MIC检测到周边声音信号之后就转变成电流（实际上是经过电阻形成电压），就出来了。那这个信号幅值会比较小，大概就是几个毫伏到10几个毫伏的级别，当然要看你声音具体的远近和强度。那这十几个毫伏的小信号呢，我们会给到后级的运放，做一个反相输入放大，同相端我们就做了一个直流偏置电压来抬升参考点，那么反相端我们目前的放大倍数设置的是200/5.1（R25/R24）大概是40倍，C28这个电容的话就是做相位补偿同时兼有低通滤波的作用。那放大40倍的话我们可以大致算出来10几毫伏的信号放大40倍，就意味着有670毫伏的幅值，那670毫伏的幅值输出来，给到我们的CODEC或者音频功放，比如说耳机驱动啊、功放芯片啊，就是差不多声音的幅值，就是声音的响度已经比较大了。因为标准的像我们的linein信号啊或者计算机输出的这种信号也就是1伏RVS（1伏的有效值），1伏的有效值它的峰峰值就是1.4伏，所以说我们输出的600-700毫伏的峰峰值已经是不算小了，已经和标准的1.4伏信号已经可比了。当然你这里也可以把R25设置的更大一点，就是放大倍数更大一点，让它的输出就更强一些，输出信号的幅值就更大一些。输出端的R2和这个C8它同时也构成了低通滤波，所以这两个参数要仔细的选择，要做一个认真的对比，就是计算一下它的-3dB转折频率点，因为只要滤波就会对我们的信号有衰减，所以这两个值的配比也是要注意的，那一般来说R2我们取个100欧姆到200欧姆就可以了，当然你不用这个也行，输出直接加一个隔直电容也是可以的。这个是我们比较常用的一个麦克风放大电路。
电路2、单电源MIC放大电路
*电源最好由单独一颗LDO产生，LDO纹波抑制比一定要选择70dB以上的，如果有条件的话，成本不高的话再做一个π型滤波（其实π型滤波也非常便宜，我们不用电感吗，用磁珠（几分钱的成本），一个磁珠2个电容组成一个π型滤波电路，那么用这个电路之后那么我的电源就会比直接输出的效果好很多，增加了这几个原件那么系统低噪会处理的非常好）。
这个电路设计的非常巧妙了，它是接成了一个差分输入的方式。电源不局限于3V，你可以用一个LDO产生，也可以用一路运放来产生，尽量的干净；这个电源过来之后经过一个2K和18K的电阻分压，这个分压就叠加在了运放的反相输入端做虚地，同时这个3V经过2K之后，咪头上边的2K又做了一个分压，实际上就是说和咪头的内阻2K做了一个分压，就是咪头上的这个偏置电压也是和我这个虚地的电压是相等的，这个产生的话就意味着我的咪头出来的信号都是以相同的虚地并且同时给到了同相输入端和反相输入端，所以才说它巧妙的做了一个差分的输入方式。这个同相输入端和反相输入端接的33p这个电容它的本来的作用是滤除共模干扰，但是这个电容多数情况下我们不要接，因为会引起一些不必要的噪声或者引起系统震荡之类的。一般来说我们在调试的时候预留一个位置，万一说你的系统运行的不是特别好，比如低噪有点大，那么这33p就可以把它接上他对抑制共模噪声还是很有好处的，但是它会牺牲我们的共模抑制比。而反馈壁上RF它是用来设定放大倍数的，运放的供电也是直接接到了电源，跟3V是一起的。RF设定放大倍数，它比上1K就是放大倍数，因为它用的是差分的方式，那么它的放大倍数就是RF/1K就可以算出来。那这里反馈壁上并了一个100p，那100p这个值并不是特别严格，我们上一个电路用的是40p，因为不管是40p还是100p实际对我们运放的影响都不大，即便算低通滤波的话都不大，它的-3dB转折频率点都很高，远远大于我们音频20KHz的这个点。那么它的输出呢就用一个1uF的隔直电容，然后就可以接后续的功放或者codec。那么这个电路也是在实际中，有很多客户在用的，做录音笔的。这里要提一点就是说相同的电路，不同的人layout（布局）出来的效果是完全不一样的，就是因为音频系统对电源的低噪和对layout（布局）的要求很高，不同的走线方式和布局引入的系统低噪是不一样的，尤其是电源的选择，电源的布线非常重要，那通常我们说都要单点接地（就是一个器件周边的电路都先接到一个地上，然后透过这一个地再与系统地相接），用这种方式处理的时候呢它的效果会远远好于每个点分散接地的方式，对电源的噪声抑制会有很好的帮助，所以才说相同的电路不同的人layout（布局）出来的效果是不一样的，尤其是电源系统的选择上，不同家的LDO它的电源纹波抑制比也是不一样的，甚至相差很大。所以上边的两个MIC放大电路实际上是在不同的客户都有量产，但是他们做出来的效果总是相差很远，这就是跟他们的供电系统和layout非常有关系。运放用的都是712这个运放，因为这个运放低噪非常小，只有8.5nV/，然后带宽又非常宽10MHz的带宽，足够我的音频系统处理。
环境噪声怎么滤除，一种方法是用软件方法，但是这时候你就会有失真，因为噪声中有1/F噪声（白噪声），还有环境的噪声，这些噪声的频率谱是平均分配在信号的频域范围内的，那你在滤波的时候呢不可避免的你要把底部的频率谱全要去掉，那也就会损失你正常的音频信号。所以银行系统的对讲滤波它也会把正常的音频信号损失一部分，这样才能把环境噪声和电源系统等周边系统引入的噪声去除掉。还有一种方法是纯硬件的，只是听说就是用双咪头这两个咪头呢是相对的就是背对背的都是这种方向性咪头，比如说都是120度的然后一个向前一个向后，那向后的那个呢它就把环境的噪声给采集下来，另一个就把人讲话的声音采集下来，然后这两个系统把信号做差分就是相减，可用硬件做差分相减的动作也可以用软件系统去把这两个采集的信号做相减的动作，用这种方式来扣除掉环境噪声。
麦克风的电路在我们实际应用当中还是很广的，包括我们电脑啊，手机啊，平板啊等都有麦克风录制功能的。
那么这些电路已经集成到codec里边了，大部分code内部集成运放已经相当不错了，它提供出来一个麦克风输入接口，那么麦克风只需要给一个偏置电压，并且这个偏置电压codec也有给，你把这个偏置电压稍微做个RC滤波就可以给到咪头，然后咪头的信号可以直接输入给codec，它有一个输入口，输进去之后内部的电路就跟我们看到这两个电路差不多，它会做一系列的放大，低通滤波，带通滤波，做完滤波之后再给他的ADC去采集，采集之后它里边的软件上还要做一个滤波的算法，那这样经过一系列处理的之后，麦克风的信号也是处理的不错的。但是有一些场合，比如说对讲机这样处理就不够了，因为集成在里边的放大器增益还是比较弱的，那它就需要在外部做一个适当的放大，然后再给到内部去，也就是说我现在外边做一个适当的放大，然后再把这个输出给到codec去做一系列的带通，低通滤波处理还有软件上的处理。
电路3、UVA-1210紫外线检测电路
*电源最好单独一颗LDO产生
*反馈部分采用了所谓“T”型网络
*Gain=R1+R2+R1R2/R3
紫外线检测是专门有一个传感器（UVPD），这个接受管接收到紫外线之后它会输出一个电流信号，这个电流信号很微弱（微安级别）需要经过IV转换，可以看到这个电路是用的运放来做一个IV转换，之前讲过的IV转换电路只是在反馈壁上有一个大的电阻（1M欧姆）再加上一个100p的电容，然后反馈到输入端；我们在那里有提到有一种方法就是用小的电阻获得更大的增益的方法就是所谓的“T”型网络，就是反馈壁我们用“T”型网络来反馈，“T”型网络就是上边电路三个电阻连接的形式，在反馈臂两个电阻中间对地接一个电阻，这就是所谓的“T”型网络。但是怎么计算呢，它的传输函数还是一个很简单的计算方法，就是用这个基尔霍夫定律来算就可以了，反馈壁的等效电阻就是R1+R2+R1R2/R3，那么从这里就可以看出我如果R1和R2这个乘积远远大于R3的话，也就是说R3可以选择小一点，那么这个加出来的值是相当大的。从实际电路上呢，我们的R2和R3都比较小。一个3.3K一个1K,用这个方式获得的增益要远远比1M大很多。
但是这种IV电路对运放的要求比较高，前边已经介绍过IV转换的时候Ib的影响和Vos温漂的影响都很大，所以它对运放的要求就是Ib要尽可能小，Vos和温漂都要尽可能的小，而满足这些条件的运放都是高精度的运放，高精度运放价格都比较贵，所以在这种IV转换的时候没的选。
电路里的这个100p完全是做滤波作用的，它和反馈壁的电阻就形成了低通滤波的作用。
电路4、PT100温度检测电路
*电源最好单独一颗LDO产生
*采用三线恒流源方案，精度高
上边电路是某家原厂推荐的温度检测电路方案，他们的参考设计上是这样提供的。并且这个电路使用起来也非常好。它是采用的三线恒流源的方案，PT100我们知道它有两线制、三线制、四线制三种接法，四线制是最好的（电路更复杂），三线其实已经足够了。关键的点是在恒流源的产生，这个恒流源电路有一个专用的名称holland电路，但是它需要一个基准源2.5伏的基准源。那利用运放的自身的跟随的反馈抵消了运放的Vos影响，A1级就是一个同相输入放大电路，那A1输出之后呢Vin点给到A2级运放，也是同相端，然后做了个跟随去影响A1级运放的输入端，依此来保证我输出的电压（RREF电压）是稳定的，那恒流源过来到我们的PT100，Rw1、Rw2都是PT100内部的电阻，那恒流流下来之后PT100的内阻是随温度变化的，就是不同温度它表现出来的内阻是不一样的，在PT100的规格书上我们会看的很清楚，那么我们就用这个不同的电阻，这个内阻乘以1毫安的电流就得到了电压，把得到的电压给到运放A3来做一个差分输入的放大，放大之后A4这里其实是一个二阶低通滤波，用二阶低通滤波之后，那这里我们重点看一下，之前已经说过低通滤波在高阶的时候参数配比很难选到标准值（常用的值），可以看到电路图中的值都很怪异，不是标准值17.4啊、107啊、68啊、3.09啊、390啊、180啊都不是常用值，那么利用高通滤波是可以的，那么我们算出来上边的值会很偏。输出之后就可以直接给到我们的MCU系统了或ARM系统去做采集，去做ADC转换了。
到此本章内容结束！
交流讨论，加我微信：17717546924