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基本运放应用电路实例、电路中参数计算

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1、反相输入比例运算电路

反相输入比例运算电路如下图所示,


其电压放大倍数为


在实际应用时应注意:

(1)此类电路的电压放大倍数不宜过大。通常Rf宜小于1MΩ,因Rf过大会影响阻值的精度;R1不宜过小,R1过小将要从信号源或前级吸取较大的电流。
(2)作为闭环负反馈工作的放大器,其小信号上限工作频率fH 受运放增益带宽积GBW= Avd*fH的限制。以μA741为例,μA741基本参数如下:


其开环差模电压放大倍数Aud=10^5倍,开环fH=10Hz,故运放的单位增益上限频率fT=1MHz,即作为电压跟随器或反相器工作时的最高工作频率为1MHz。若用μA741设计Auf为20dB即便10倍的放大电路,则电路允许的上限频率为100kHz。
(3)如果运放工作于大信号输入状态,则此时电路的最大不失真输入幅度Vim及信号频率将受运放转换速率SR的制约。仍以μA741为例,其SR=0.5 V/μs,若输入信号的最高频率为100kHz,则其不失真最大输入电压Vim<=(SR)/(2*pi*fmax)=0.5*10^6/2*pi*10^5=0.8V。

SR:压摆率单位时间(一般用微秒)器件输出电压值的可改变的范围。

(4) 该电路中R1=RF时 ,Au=-1,Uo=-Ui,为反相器。


2、单电源供电反相交流放大器

单电源供电反相交流放大电路以LM358为例,电路图如下所示:


该反向放大器的特点和使用技巧:
(1)输出信号与输入信号反相。
(2)输入阻抗较低,约为R1,这是我们不希望的。
(3)输出阻抗较小,这一指标较好。
(4)电压放大倍数由R1和Rf比例确定,可以做的比较高。
(5)共模抑制比CMRR较好。
推荐电压放大倍数不大于30dB(约33倍),R1和Rf可在1千欧~几百千欧间选。一般R1取值范围1k~20k,Rf取值为(1~33)R1。这里指出一个误区,在电子设计制作或实验时,往往加大Rf/R1的值,以获得大的Au,以为Au越大越好,事实上,当Au>33时已超出运放的线性范围,是不可取的,应予注意。


3、同相输入比例运算电路

同相输入比例运算电路如下图所示,


其电压放大倍数为:


为使输入电流引起的误差最小,应取平衡电阻Rp=Rf//R1。当Rf//R1=0时,即使用一根导线替代Rf,Auf=1,电路演变成为电压跟随器。

该同向放大器的特点和使用技巧:
(1)输出信号与输入信号同相。
(2)电压放大倍数由R1与RF的比例确定,可以做得比较高。
(3)由于电路引入深度电压串联负反馈,使得输入电阻增加(1+AF)倍,可高达几兆欧,输出电阻减少1/(1+AF倍),一般可视为0.。
(4)同向放大器的共模输入电压不为0,所以共模抑制比CMRR较小。

使用时推荐电压放大倍数不大于30dB(约33倍),R1和Rf可在1千欧~几百千欧间选。一般R1取值范围1k~20k,Rf取值为(1~33)R1。Au,R1,RF的选取和反向放大器一样。


4、反相输入比例求和电路

反相输入比例求和电路如图所示,


其输出电压为


平衡电阻Rp= Rf// R1// R2// R3。


5、差动放大电路

差动放大电路如图所示,


其输出电压为Vo= -(Rf/ R1)*V1+(1+ Rf/ R1)*(1+ R3/ (R2+ R3))*V2


6、积分运算电路

积分运算电路如图所示。


其输出电压为


电路中电容为反馈电容。可以实现波形变换,将矩形波变为锯齿波,还可实现移相90°、延时等。通常,为限制低频电压增益,在积分电容C两端并联一个阻值较大的电阻Rf。当输入信号的频率:fi>1/(2*pi* RfC)时,电路为积分器;若fi<<1/(2?*pi*RfC),则电路近似于反相比例运算器,其低频电压放大倍数Avf约等于-Rf/ R1 。当Rf=100kΩ、C=0.022uF时,积分与比例运算的分界频率约为1/(2*pi*pi*RfC)= 1/(2*pi*100*10^3*0.022*10^6)=72Hz。


7、微分电路

将积分电路RC互换位置,便得到微分电路。能将矩形波变为正负尖脉冲,能将输出信号超前移相90度。电路图如下所示:


8、信号滤波器电路

按频率特性分,滤波器分低通、高通、带通、带阻、全通。LC滤波器一般用于高频电路,RC滤波器一般用于低频电路。例:一阶低通有源滤波器如下图所示。


电路中参数计算如下:

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来源:硬件笔记本
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首次发布时间:2025-11-11
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十分透彻!详解去耦电容!文科生看完都理解了!

01 什么是去耦电容,为什么要去耦1.简介去耦(decoupling)电容也称退耦电容,一般都安置在元件附近的电源处,用来滤除高频噪声,使电压稳定干净,保证元件的正常工作。2.分析对于一个电路系统来说,一般有多个负载,这些负载的供电都来自于同一个电源理想情况下,对于某个负载,电源应该是这样子的但是电路板上各个负载的工作都要动态地吸收电流,造成的供电电压的不稳,变成了下面这样子也就是在5V的DC上叠加了各种高频率的噪声,这些噪声是由于器件对供电电流的需求导致的电压波动,可以看成是在DC 5V上“耦和”了由于器件工作带来的AC噪声。这样耦和了AC的DC供电电压不仅会影响本负载区域内的电路的工作,也会影响到其它连接在同一个VCC上的其它负载的工作,有可能导致那些负载的电路工作出现问题。解决的方法就是在电源两端并上一个小容量电容从电源上看,没有去耦电容的时候如左侧的波形,加上了去耦电容之后变成了右侧的样子,供电电压的波形变得干净了,我们称该电容的作用是去掉了耦和在干净的DC上的噪声,所以该电容被称之为去耦电容,当然也可以被称之为旁路(Bypass)电容,因为该电容将DC上耦和的噪声给旁路到地上去了,只留下干净的DC给后续的电路供电。在整个系统每个负载都加一个去耦电容至于电源输入端,也要加上电容去耦做输入滤波,弥补负载的滤波指数不够的情况。02 去耦电容的选用1.问题了解了什么是去耦电容后,那么问题来了:究竟需要多大容量的电容才能达到去耦的效果?这么多不同种类的电容选用哪种电容合适呢?为什么在很多电路上看到针对一个电源管脚会有多个容量大小不同、类型也不相同的电容一起工作呢?2.分析在一个芯片(比如FPGA/MCU)的电源管脚上需要多个不同容值、不同类型的电容并联达到较好的去耦效果。我们用来去耦的电容器(不论是哪一种)用于在电源线上的瞬态干扰期间快速提供电流,它们都不只有“电容”一个属性,还有两个阻碍电流流动的部分:电阻(ESR) - 无论频率如何都呈现固定阻抗; 电感(ESL)- 随着频率的增加其阻抗也变得更高。而这三部分的值与电容的类型、容值、封装都有很大的关系。作为最常用的去耦神器 - 陶瓷电容具有很低的ESR和ESL(它们也很便宜),其次是钽电容,提供适中的ESR和ESL,但相对有较高的电容/体积比,因此它们用于更高值的旁路电容,用于补偿电源线上的低频变化。对于陶瓷和钽电容,较大的封装通常意味着较高的ESL。下图显示了0.1μF,封装为0603的陶瓷电容器的阻抗,该电容器具有850pH的ESL和50mΩ的ESR:正如前面讨论的,去耦电容的作用就是平滑掉高频变动的纹波电流,理想的电容器可以很容易地实现这一点,因为电容器的阻抗随着频率的增加而降低。但由于ESL的存在,在某个频率下阻抗实际上随频率开始上升,这个频率点又被称为自谐振频率点。我们再对比一下1μF的钽电容器,它有2200pH的ESL和1.5Ω的ESR。由于其较高的电容值,钽电容器的阻抗在开始阶段低于陶瓷的阻抗,但是较高的ESR和ESL的影响导致阻抗在100kHz附近变平,在1MHz-10MHz高于陶瓷电容的阻抗,在10MHz附近高出陶瓷的阻抗10倍。设想一下,如果电路中的噪声频率是在10MHz左右,即使钽具有更高的电容,也不如放置一颗0.1μF的陶瓷电容更有效。如果我们要旁路掉更高频率的噪声,即使这个陶瓷电容也会存在太大的阻抗,我们就需要更低的ESL,也就是更小的封装。下图左侧表明两个同样是0603封装的电容并不改变其对高频噪声的去偶性能,只是相当于去耦电容的容量为二者的和而已,后面看到这个容量对旁路噪声的效果其实没有什么差别;而下图的右侧,一个0.1μF封装为0603的电容和100pF封装为0402的电容并联在一起,就可以覆盖更宽的高频范围,能够对两个频点的噪声进行去偶。回到本篇文章第一个图,在同一个电源管脚并联了三个去耦电容:4.7μF的钽电容,对比较低频率的噪声滤除比较有效;0.1μF、0603的陶瓷电容,对1-50MHz区域的噪声滤除效果比钽电容有效;0.001μF、0402的陶瓷电容,对于50MHz以上的高频噪声滤除比较有效;具体的噪声频段可以通过电路分析(时钟频率)以及测量进行确定,由此需要选用相应类型、相应封装的电容进行去耦。多数的情况下我们用0.1μF陶瓷电容搭配一个钽电容,就足以满足系统对电源噪声的去耦效果。 所以,不同类型,不同容量,不同封装的电容,去耦的有效频率段也是不同的陶瓷电容相对与电解电容,最低的等效阻抗的频率点更高容量越小的电容,最低的等效阻抗的频率点更高封装越小的电容,最低的等效阻抗的频率点更高03 去耦电容的PCB布局布线1.原理先看一个很形象的动图,直观体会一下一个电容放置位置不同起到的作用有多大的差异。这张动图传递了如下的信息:在电源管脚上放置一个104(0.1μF)的电容能够有效抑制电源上的噪声,也就是能够对电源噪声去耦;“电源 – 去耦电容 – 地”三点一线的距离越近,则去耦的效果越好;相同材料的电容,即便电容容量减少为1/10,去耦的效果并不会有什么明显变化,我们对于高频去耦用同样封装的器件,容值为0.01μF、0.1μF、1μF效果相差不大;同样容值,贴片(SMD)封装的电容比穿孔的电容效果更好,原因就是穿孔电容的管脚等效的电感要大很多,影响了去耦的效果;电源平面和地平面的使用,一方面可以让三点一线的路径更短,而且两个平面相当于一个大电容,也起到了去耦的作用2. 实例来看具体的实例在常用单片机stm32f103c8t6最小系统中,常常有这样四个去耦电容,分别对应芯片的四对供电引脚。而在PCB中,这四个电容(图中白色框框中)在摆放合理的情况下越靠近mcu越好。而在多电容去耦(对电源稳定要求极为苛刻的电路中),比如GSM的电源,需要多个不同容量/种类的电容。对应下面红框框出的6+1个电容,其中越小的电容应当越靠近GSM的电源脚,比如C24是8.2pF,离GSM最近,C19是100nf,离GSM较远,最远的则是容量最大的330uf的钽电容04 总结 下面的图是去耦电容通过过孔与地进行连通的方法比较,从最左侧的效果最差依次编号,直到最右侧效果最佳,当然具体采用那种方式还要取决于其它一些因素,综合考虑后做一个折衷。 下图是一个实际电子产品系统的供电分布网络,为了强调噪声的起源(最左侧),把电源模块(VRM)放到了最右侧。PCB上的走线、过孔、相关的器件引脚等都会产生寄生电阻、电感等,在图中以R+L的方式等效表达出来。在这个图中可以看出针对IC器件内部(Die)、针对整个IC器件(Package)、针对某一个功能模块中的电路单元都有相应的去耦电容,最左侧(靠近内核)采用频率响应很高的小容值、小封装的陶瓷电容,到右侧则是低频率、容量比较大的电解电容。总之一句话:去耦电容的PCB布局摆放原则是最小化电阻,最小化电感。(部分参考自电子开发学习)。声明: 声明:本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立,推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有,如有侵权,联系删除。 来源:硬件笔记本

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