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一、運放的常用用法

運算放大器常作為一種高增益、差分輸入、單端輸出的電路，在模擬電路與信號處理系統(tǒng)中有多種用法。

最基本的用途是信號放大，可以將微弱的輸入信號按一定比例放大，無論是同相放大還是反相放大，都能通過配置外部電阻來控制放大倍數(shù)。在音頻放大、傳感器信號調(diào)理等領(lǐng)域有應(yīng)用。

運算放大器還能實現(xiàn)信號運算功能，對多個輸入信號進行加、減、乘、除等數(shù)學(xué)運算，或積分和微分運算。

此外，運算放大器可以構(gòu)建方波發(fā)生器，其基本原理是利用其高增益特性以及正反饋和負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生周期性的高低電平切換，從而輸出方波信號。

以上為工程師最常見到的一些運放設(shè)計應(yīng)用，下文總結(jié)近期客戶的一些應(yīng)用場景。

二、運放的應(yīng)用案例

1、信號偏置與放大案例

通過多級運放可實現(xiàn)電壓的偏置與放大，應(yīng)用案例中，要求將 0V~5V 的輸入模擬信號，對應(yīng)轉(zhuǎn)換為 - 10V~+10V 的輸出模擬信號。

對應(yīng)電路原理圖如下：

圖一、基于AiP072與AiP431A的信號偏置與放大電路

先通過一級同相求和運算電路，結(jié)合 AiP431A 電壓基準(zhǔn)，將輸入電壓轉(zhuǎn)換為 VX=VI-2.5V，對應(yīng)一級運放的輸出電壓范圍為 - 2.5~2.5V。再利用二級同相比例運算電路進一步轉(zhuǎn)換，得到 VO=4×VI，此時二級運放的輸出電壓范圍為 - 10~+10V。

其中：R1=R2;   R6=R1//R2;    R5=3×R4;   R3=R5//R4

2、運放的驅(qū)動加強案例

運放在小信號處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但負(fù)載能力較弱 （運放的驅(qū)動能力通常在幾 mA 至 20mA 之間，短路電流一般不超過 50mA），因此很難驅(qū)動繼電器、LED 燈、功率管、高阻耳機、電機、變壓器等負(fù)載，也無法滿足遠距離模擬傳輸?shù)男枨蟆Ｈ魬?yīng)用場景需要幾百 mA 至 A 級的驅(qū)動電流，現(xiàn)有運放無法適配，需對電路進行改進，以滿足百 mA 級甚至 A 級的驅(qū)動需求。

圖二、運放驅(qū)動Q1

其中：V+ = V- = Vi，V+/R1=（Vo-V-）/R2，因此：Vo=（1+R2/R1）*Vi

通過上述方式，建立輸出電壓與輸入電壓關(guān)系，但輸出的電流值可以遠大于運放，甚至可以高于專用的功率運放。

3、運放電流檢測案例

電流檢測方案主要分為霍爾檢測和電阻檢測兩類，其中霍爾電流檢測的缺點是結(jié)構(gòu)體積較大、成本偏高，優(yōu)勢則是具備電氣隔離功能。若應(yīng)用場景無電氣隔離，采用電阻采樣的電流檢測方式更為合適；為實現(xiàn)檢測 ADC（獨立 ADC 芯片或集成 ADC 功能的 MCU）與被檢測設(shè)備的共地，我們常用的電流檢測結(jié)構(gòu)設(shè)計如下。

圖三、低邊電流檢測

該結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于反激式開關(guān)電源一次繞組的電流采集、低壓小功率電機驅(qū)動器三相橋的低側(cè)電流采集等場合，優(yōu)勢是低側(cè)電流測量設(shè)計簡單，僅需一個運放即可完成電流測量。

但該方案會在接地路徑中串入采樣電阻，數(shù)字電路或驅(qū)動電路的高低電平切換會導(dǎo)致電流動態(tài)變化，流入地的電流會在采樣電阻上產(chǎn)生電壓，電壓將以地平面噪聲的形式疊加在系統(tǒng)地上。不僅會影響模擬部分的測量精度，還可能導(dǎo)致數(shù)字部分出現(xiàn)誤動作。因此，在對地平面噪聲要求不高的系統(tǒng)中，低側(cè)電流測量是最簡便的方案；若系統(tǒng)無法容忍地平面噪聲，則可選擇高側(cè)電流測量（又稱電源側(cè)采樣），其具備更強的抗共模干擾能力。高側(cè)電流采樣的原理如下圖所示。

圖四、電源側(cè)電流采集

中微愛芯AiP8199、AiP8280 系列電流檢測放大器專為電流檢測方案設(shè)計，具有超寬共模電壓（AiP8199 為 30V，AiP8280 為 120V）、超低誤差及高速響應(yīng)優(yōu)勢，既可用于低側(cè)電流采集，也應(yīng)用于電源側(cè)電流采方案。

附1：AiP8199替代某X198方式

某X198通過輸出外接一只RL（需要高精度，低溫漂電阻）對放大倍數(shù)進行調(diào)整。該方案容易在負(fù)載外接其它電阻導(dǎo)致檢測錯誤，工程師設(shè)計時尤其小心。

某X198 的Vout=Is*Rs*RL/1k，AiP8199 的Vout=Is*Rshunt*100，當(dāng)要求Vout相同，即Rshunt*100=Rs*RL/1k，則AiP8199的采樣電阻Rshunt=（Rs*RL/1k）/100。替換Ti的INA138/INA136方法類似。

在輸入端口增加的RC可以濾除差模和共模干擾。

圖五、AiP8199應(yīng)用外圍

圖六、某X198 應(yīng)用外圍

附2：AiP8199可以與AiP8552構(gòu)成儀表運放

電流檢測運放通過前級增加一顆2路精密運放可以做成儀表放大器，放大倍數(shù)可以通過調(diào)整電阻靈活調(diào)節(jié)。

圖七、AiP8199可以與AiP8552構(gòu)成儀表運放

4、運放的二階低通濾波

RC 濾波是無源濾波器中最典型的一種，但存在明顯缺陷：電阻與負(fù)載會形成分壓，負(fù)載阻值越大，輸出電壓越高；同時濾波帶寬會隨負(fù)載特性變化。

在無源濾波與負(fù)載之間增設(shè)一級跟隨器，可使輸出電壓不受負(fù)載影響，由此構(gòu)成一階有源低通濾波器。借助運放的放大特性，還能對輸入信號進行幅值放大。若原幅頻特性曲線不夠陡峭，可再增加一組 RC 濾波單元，進而構(gòu)成二階有源濾波器。

圖八、二階有源濾波器

如果幅頻曲線還不夠陡峭，可引入了正反饋，如 Sallen–Key 濾波器。

根據(jù)項目的轉(zhuǎn)折和帶內(nèi)波動設(shè)計要求選擇具體的RC參數(shù)，詳細(xì)選型方法可參考《運算放大器權(quán)威指南》一書第16章

5、運放的對數(shù)應(yīng)用

模擬電路信號檢測中，針對輸入動態(tài)范圍極大的信號，為覆蓋信號上下限且不降低性能，通過對數(shù)放大方式實現(xiàn)。

對數(shù)運放的核心特點是，輸出值不會隨輸入線性增大，而是呈非線性增長。對突發(fā)增大的信號，以非線性檢測方式壓縮信號幅度，適配寬動態(tài)范圍需求。這類對數(shù)運算電路的核心原理，是利用二極管、三極管等電子器件本身具備的對數(shù)關(guān)系實現(xiàn)的。

二極管一個重要公式為：ID ≈Is*e^Ud/Ut ，其存在對數(shù)關(guān)系。

其中：I_D為正向電流，I_S為反向飽和電流，U_D：正向電壓，U_T為熱電壓（26mV）  

但二極管在電壓小于開啟電壓時，電流和電壓非指數(shù)關(guān)系。一般采用下圖三極管方式設(shè)計，其輸出與輸入關(guān)系為：U_o=-u_be≈-u_t*ln （u_I/（I_S*R））。

圖九、三極管與AiP8551構(gòu)成的對數(shù)放大

圖十、三極管特性曲線

目前還有的應(yīng)用方式為采用程控運放、增益可調(diào)運放或者在運放反饋采用類似模擬開關(guān)串聯(lián)電阻來調(diào)節(jié)放大比例，來使得信號在不同幅度運算放大后仍然在幅值電壓范圍內(nèi)。

三、總結(jié)

運放的應(yīng)用方式非常廣泛且靈活。除上述介紹的，還有過零檢測、窗口比較器、電壓頻率轉(zhuǎn)換器、三角波發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、恒流源等等應(yīng)用方式。