从零学运放—14 运放开发板电路讲解

从零学运放—14 运放开发板电路讲解

        从今天开始，我们来看下我们买到的开发板怎么测试，当然主要是仿真了，如果有条件的可以自行产生信号进行测试。

        运放电路上比较多的，如果我们看到一个分析一个看到一个分析一个的话，其实效率比较低的，而且我们没有抓住它的起源，因为任何东西都是追踪溯源的。如果比作一团乱麻的话，我们要找到线头在哪里。

        这套实验班非常适合三年以及五年以下有工作经验的人，对运放没有很透彻的理解的。一些基本概念，一些基本用法不清楚，这套实验班是有很大的帮助的。

        我们在学校学的都是双电源供电，可是实际工作中，其实双电源是不那么容易去获得的，尤其低功耗的情况下，即便是你去获得双电源容易，但是你要付出成本还要把成本去降低，然后怎么让电路设计的更高效。希望这套实验班对你有借鉴的意义。

        这套实验板总共分12个电路，分别涉及同相、反相、差分，又根据信号的类型、供电的方式总共有12个运放实验电路。同相有5个、反相有3个、差分有4个。当然这些都是工作中常用的运放电路使用类型。分别如下：

        同相放大，双电源供电直流信号

        同相放大，单电源供电直流信号

        同相放大，双电源供电交流信号

        同相放大，单电源供电交流信号-电路1

        同相放大，单电源供电交流信号-电路2               

        上面五种基本的同相放大电路，直流信号都不难的，双电源供电交流信号也不是很难，这四个电路就是有那么细微的差别所在。稍微有点难度的就是单电源供电交流信号，因为它有两种不同的放大电路，所以说这套实验板它稍微有点难度的（单电源交流）。

        反相放大，双电源供电直流信号

        反相放大，双电源供电交流信号

        反相放大，单电源供电交流信号

        差分放大，双电源供电直流信号

        差分放大，单电源供电直流信号

        差分放大，双电源供电交流信号

        差分放大，单电源供电交流信号

        我们这套板子的供电是9—12伏供电的都可以。我们的实验板上运放供电电源的正2.5伏和负2.5伏是怎么的来的呢?

        这里加了个Q1（MOS管），MOS管是为了防止反接的，就是即便电源端子插反，也不会把板子烧掉，电源是不会坏的，D1这个稳压二极管是保护MOS管的，因为我们输入电源很小，所以这个地方用不到，所以这个二极管没有焊接在板子上。12伏过来我们通过一个LDO把电压降成正的2.5伏，那么我们这个电源电压进LDO之前我们也串了一个RC滤波（R89和C61），因为我们供的电压足够大，那么这里1K的电阻它的压降也是很小的，就是说你给LDO供电之前也加个RC滤波，这都属于经验。在这里我们得到了正2.5V的运放供电正电压。

        我们上边得到了正2.5伏，那么我们来看看负2.5伏是如何得到的。如下图：

        得到了正2.5伏之后，我们把2.5伏给到了SGM3204这个芯片，这个芯片是个电荷泵，它对电压进行了一个反向，通过它我们可以产生一个负压，最终得到负的2.5伏运放供电负电压。电荷泵之后我们看到加了一个π型滤波CLC电路，电容（C62和C63）4.7uF，600Ω的磁珠（FB1），这里的值都是经验值，我们没有细究它为什么取这个值。

        这个正5伏的产生方式跟正2.5伏的产生方式是相同的，只是芯片不一样而已。

        所以我们看到，我们对电源的处理已经很到到位了，输入的时候加了RC滤波，负压输出的时候加了π型滤波，给到运放的时候又加了一层RC滤波，我们会在后续讲解中看到。

        直流信号真正的难点在小信号，如果这个信号很大的话都不难的，如下图是这个类型放大电路的电路图。

        它是双电源供电，双电源引脚处都进行了RC滤波的处理（正电源R31和C20、负电源R4和C1），RC滤波的电容和电阻都采用的经验值（电阻100Ω，电容100nF），因为这个芯片功耗很低，在RC滤波上的电阻压降很小，那么我们拿到实验板实验时，可以测下+2.5伏的电源纹波和R31与C20之间连接点的电压纹波，就是在串电阻之前和串电阻之后，其实它这个纹波改善的很明显。电源纹波这尤其做仪器仪表的，由于信号都比较小，肯定要对噪声进行处理，如果仅仅加一个去耦电容或者旁路电容，其实效果不是那么明显，加了RC滤波那么这个纹波就会变的很小啦，那么给运放供电电源会很干净，噪声也小。

        一般来讲，双电源的运放电路相对来说比较简单，交流信号会更简单。但是即便是简单对于初学的人其实也是很难的。所以对于初学者来说，先把电路记住，之后实际运用中进行套用就可以了。

        首先我们这里是双电源同相放大直流信号，比如我们这里说的是大一点的信号，不是小信号，如果我们的信号是500mV的话，R12和R3对500mV进行分压，然后输给同相输给运放，那么我们运放的放大倍数是R23/R22就是100K/10K+1=11倍的放大倍数。C5是干什么用的呢?R12既可以分压，又可以跟C5组成一个RC滤波。为什么输出要串一个100Ω的电阻呢?主要是为了防止震荡的，就是说不加这个电阻可能会震荡，加上这个电阻一般就不会震荡了。C15是相位补偿电容（反馈臂上的电容），也是个经验，不加这个电容没关系，不会有什么问题的，加上了也是更好的。如果我们是在双电源供电下，然后直流信号下，用同相放大的话，我们就用这个电路，信号处加个分压电阻，把大的信号变成小的，然后输入给运放进行放大。

        这个电路跟第2节讲到的电路只有一个点的区别，就是单电源供电的。双电源的好处是可以输出负值的信号（可以输出负电压），单电源是不能输出负电压的。整个电路的结构都一样，除了运放芯片的负端没有供负电压。

        一般情况下，我们是双电源供电的话，对交流信号的处理C25电容一般不用加，加了的好处是可以做个阻抗转换的作用，加入前一个信号的放大，通过这个电容阻抗就变小了，起到阻抗变换的作用。R6这个下拉电阻一定是要加的，给运放一个直流偏置，让偏置点在0伏上。这个电路跟前两电路的区别，只是在同相端输入上处理的不同。

        交流信号的单电源同相放大电路有两种架构方式。

        首先我们交流信号过来之后，首先我们要确定一个直流偏执点，我们的直流偏执点一般电源的中心位置，也就是图中电源电压经过R8和R1分压得到的电压，就是电源的中心位置（阻值相等），供电是5伏，那么经过R8和R1分压偏置就是2.5伏。同样交流信号不论它是单双电源我们都要加耦合电容进去——电路中的C9，这里加电容一定是有好处的。放大倍数也是R18/R17+1得出的值就是放大倍数，放大11倍。我们为什么R17电阻之后要加电容呢，电容的作用就是通交隔直，我们让交流信号（因为这里是处理的交流信号）反馈到地，然后直流信号不给它一个返回通路，就是不对直流信号进行放大，只对交流信号放大，这个电容的作用就是给交流的反馈信号提供一个通路（C12这个电容很有意思）。

        同样我们输入信号也加了耦合电容C10（以后碰到交流信号都加个耦合电容），然后给了个偏置电压（定在电源电压的一半），因为同相端直流偏置是2.5伏，那么返回来之后，我们也要加个2.5的偏置，这样就不对直流信号放大了，只对交流信号放大。T15点我们也加了2.5伏的直流偏置也是可以的（不用直接电容接地），这个是肯定对的，但是这样加行不行啊?老师也给我们挖了个坑，一会仿真的时候看下，就是我们这里给直流偏置的时候能不能这样给?

        电路如上图。反相放大电路的放大倍数就是R38（反馈电阻）/R47=100k/10K=10，那么放大倍数就是10倍的放大倍数，同相端接地，但是最好放一个电阻下拉到地，这里放了一个100KΩ的电阻，R34的取值一般是R38和R47并连等效值（反馈臂上）。那么这个电路，因为双电源所以很简单啦，对输出信号正负信号都可以输，所以说没有什么难度，记住就可以了。在反馈臂上就加个经验值得100pF的电容就可以了，做相位补偿。

        反向放大单电源直流信号这个电路没有的，因为是单电源供电，输入直流信号进去又反相，那输出就是负电压，但是你单电源供电你是没有办法输出负电压，所以我们工作中是不会这么用的。就是说我们用电源类型有两种单双，信号类型有交流直流，那么应该同相有四种，反相有四种，差分有四种；然而同相为什么有五种呢?因为单电源供电交流信号有两种常用的电路结构；为什么反相放大有三种呢?就是因为有一种我们是不会用的——反向放大单电源供电直流信号（因为直流信号输入进去，反相输入输出是负压，但是单电源供电输出不了负电压，这个电路工作中是不会用的）。

         双电源在这里要注意一个问题，输入加耦合电容（C32）再加个下拉电阻（R36）让信号偏置在0电位上。除了这两个点，这个电路和我们前边的反向放大双电源供电交直流信号的区别就是加去耦电容和偏置电阻。这个也是没什么难度的。

        我们一涉及到单电源，这个就有点难度了。首先我们交流信号先加耦合电容（C33），然后给信号加个偏置（R46）。其实我们在对这个电路做实验的时候，这个电路可以好好的对它进行玩耍了。我们看下R46这个电阻测试的时候，不加行不行，如果是1M欧姆行不行。我们来分析下，同相端我们加了偏置2.5伏，我们用虚短，虚断的概念分析这个电路的话，那么反馈臂R52和R51之间点的电压（T23）2.5伏呢?然后这个2.5伏经过R51（10K）、R46（100K）的分压，那么T28点的直流电压是多少?（2.5-2.5/11=2.5-0.23=2.27V）那么T28点就是2.27伏，就是电阻R51直流信号分压的0.23伏，那这放大电路会不会对这个信号进行放大?经过我们实际取测的时候，它是会被放大的。那么就是说要不我们把这个R46（100K）去掉，要不就把它换成更大的值，换成1M欧姆，然后R51上电阻的分压就变的很小了。一会我们做仿真的时候看下，这个电路已经实际测过了，两种方式，一去掉，二换成1M电阻（这种方式最好）。

        到此我们发现，唉！所有单电源供电交流信号，无论你同相反相难点都在这几块电路上。

        因为是双电源供电吗，又是直流信号，所以这个电路也是没有什么难度，你把这种电路架构给记住，然后同样是套路，对电源引脚的供电处理，然后输出端串一个100欧姆电阻，组成RC滤波防止震荡。

        这个电路我们要注意一点，因为是单电源供电，单电源供电是输出不了负电压的，所以说同相端输入的信号一定要大于反相端输入信号。这个电路用在电流检测的时候，正相端接电源和反相端的电源注意，如下图要这样来接。

        就是说同相端一定要大于反相端。所以这个电路一定要注意正相端和反相端输入上的问题，注意单电源供电输出不了负压这个问题。我们做仿真的时候会看到。

        一旦涉及到双电源供电的话，它其实这个难度就降低了，双电源电路除了成本会增加器件会增多，然后套路就是只要涉及到交流信号，信号输入处都要加耦合电容（C51和C47）。这套电路它和双电源供电的直流信号唯一的区别就加了耦合电容进来。

        这是我们差分放大，单电源供电交流信号，一涉及到单电源供电交流信号就比较复杂，我们来看下这个结构。

        首先我们差分放大交流信号，单电源和双电源供电，唯一的区别就是加了一个直流偏置，这个偏置加的很巧妙，我们上边的电路跟差分放大双电源供电交流信号几乎一致，唯一不一样的就是在R80下边加了个直流偏置，为什么呢?因为我们工作在单电源下，让直流工作点处在电源的1/2处，如果我们给2.5伏一个偏置的话，怎么给呢?下边这个电路是牺牲了一路运放，通过电阻分压得到2.5伏，然后通过滤波电容，然后加在运放的同相端，然后输出反馈到反相输入端，做了这样一个跟随电路。为什么这样去做?这个最大的好处就是做了阻抗变换，输出端输出的阻抗特别小，供给偏置电阻；第二个好处就是做了一个隔离。如果不做阻抗变换肯定会出问题的。

        我们来看下同相放大的单电源交流信号如下图

        R28和R29也是给了一个2.5伏的直流偏置，我们上边说这是个坑。那么在差分里我们知道通过牺牲一路运放来给直流偏置，降低了阻抗。所以这里如果这么给偏置那么它的阻抗很大，就影响了反馈信号。在这里这样给是有问题的，实际上仿真和测试的过程中也是出现了问题，所以我们在这个同相放大电路这里给的话，最好用运放生成一个偏置电流来给。那么就是说我们在做任何运放需要给直流偏置的地方，一定要想到跟随电路，主要作用据是：1、阻抗变换，2、隔离。

        那么我们这几个电路我们已经都看完了，对于稍微有点难度的，对于大家学习运放造成障碍的，就是单电源供电时候的对交流信号的处理，12个电路里边有四个电路，分别是： 1、同相放大单电源供电交流信号2、反向放大单电源供电交流信号、3、差分放大单电源交流信号，这个几个电路会对大家产生困扰，所以对这几个电路一定要多做实验、实践去理解透彻。

到此本章内容结束！

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12伏过来我们通过一个LDO把电压降成正的2.5伏，那么我们这个电源电压进LDO之前我们也串了一个RC滤波（R89和C61），因为我们供的电压足够大，那么这里1K的电阻它的压降也是很小的，就是说你给LDO供电之前也加个RC滤波，这都属于经验。

很好，是我等赤脚医生升阶的良方！小编辛苦

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