电器工程 - 如何正确使用运算放大器？ - 吾爱随笔录

如何正确使用运算放大器？

电器工程运算放大器

2022-01-21 13:07:49

自从在这里发帖以来，我从未如此迷失过使用运算放大器，听到以前从未听过的新事物（Vom、Vcm 等）。我一直认为 OP AMPS 只是插入它，它每次都会工作......非常错误。

我有几个问题，如果你们中的任何人都可以回答他们，我将不胜感激，在我问他们之前，是的，我一直在这个论坛中寻找过去 2 个小时，以寻找以前提出的问题。仍然有点困惑，但它确实清除了一些东西。

为了保持一致，我将在整个示例中使用 This OP AMP。MCP601

VCM：共模输入范围

这就是我所理解的 - 这是 MCP601 可以愉快地接受而不会出错的范围，如果超过或低于这些范围，您将看到意外错误。

示例：输入 = 音频信号 (1.2V pk-pk) VDD = 4.8V VSS = GND

VCM - 上限 = 4.8-1.2 = 3.6

VCM - 下限 = 0-0.3 = -0.3

VCM - = 3.6-(-0.3) = 3.9V $V_{CM_{PP}}$

$V_{IN}$ - 输入正周期 = 600mV + (VDD/2) = 3

$V_{IN}$ - 输入负周期 = -600mV + (VDD/2) = 1.8

$V_{IN}$ = 1.2Vpk-pk

意味着输入 Vpk-pk 是否合适？

VOM：输出电压摆幅

这就是我的理解——它是 MCP601 在削波前能够输出的范围。

示例：输入 = 音频信号 (1.2V pk-pk) VDD = 4.8V VSS = GND GAIN = 3.2

输入偏置 = VDD/2 RL = 5k

VOM - 上限 = 0+100mV = 100mV

VOM - 下限 = 4.8-100mV = 4.7V

VOM - = 4.7-100mV = 4.6V $V_{OM_{PP}}$

$V_o$ - 输入正周期 = (3.2*600mV)+(VDD/2) = 4.32V

$V_o$ - 输入负周期 = (3.2*-600mV)+(VDD/2) = 0.48V

$V_o$ - = (4.32-0.48) = 3.84V（去耦电容之前）。 $V_{o_{PP}}$

这就是我理解为和计算的方式。对我来说，这个 OP-AMP 不应该对 Vin 有问题，也可以愉快地放大 Vin，但相反的情况发生了，因为它在 2.84Vpp 处剪辑。从上面的计算来看，这对我来说没有多大意义。应该满足 VCM 以及 VOM。由于 VOM 的 Vpp 为 4.6V，> 那么我理想的 Vo 为 3.84Vpp，而我的 VDD 为 4.8V，它应该放大到 3.84Vpp 没问题吗？ $V_{CM}$ $V_{OM}$

如果有人能告诉我如何实际计算 VCM 和 VOM，那会很棒，我相信这种方法缺少一些东西，或者我不理解一些基本逻辑。我想通过这种方法获得理解输入和输出限制的能力。

如果有人可以通过 VCM 和 VOM 计算来解释为什么我可以将两者关联起来，并且可能会消除我的任何困惑，那么如果我将 VDD 增加到 ~6.1V，则此配置有效。

示意图

^{模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图}

3个回答

您的第二个数据表片段的单位是 mV 而不是伏特，并且输出范围与电源电压有关。因此，在 4.8V 电源和 5K 负载（至 0V）的情况下，线性输出范围为 0.1 至 4.7V。如果将输入和输出偏置为 2.4V，则可以得到 4.6Vp-p。运算放大器输出不能超过（甚至满足）电源电压。

如果输入偏置为 2.4V，则您的输入范围为 -0.3 至 3.6V，因此根据输入范围，您只能处理 2.4Vp-p = (3.6-2.4V)*2 的输入电压，但是您也需要确保输出不饱和。

您的电路增益为 +3.2，因此输入电压必须在 +/-0.71875V 或 1.4375Vp-p 的范围内，这将产生完整的输出范围，因此输入范围不受限制。

只要您有足够的电源电压，并且将输入偏置在工作范围内，并且牢记可用的输出范围，您几乎可以在单个电源上使用任何运算放大器。

一般来说，对于低功率电路，您可能希望使用比您展示的更高值的电阻器。显然，您正在使用低于 5K 的 5K||(2.2K+1K) 加载输出，因此无法保证输出摆幅。通常，反馈电阻器至少可以提高 10 倍，甚至可能更高。如果可以将负载增加到 25K 或 100K，并将反馈电阻增加 100:1，那就更好了。如果电阻很高，您可能必须在 R3 上添加一个小电容以确保稳定性。

我相信我解决了这个难题。

从事这样的项目并在此范围内使用运算放大器，例如寻找您通常不会从大学中寻找的特性，例如输入偏置电流、Vom、Vcm等。

试图混淆所有这些术语往往会使我感到困惑，并有点覆盖我对运算放大器的了解。

当我第一次被介绍和时，我让自己相信好像和没有违反和那么剪裁应该不存在。这是完全错误的 $V_{OM}$ $V_{CM}$ $V_{in}$ $V_{out}$ $V_{OM}$ $V_{CM}$

我没有考虑的是运算放大器内部的电压降，因为它是运算放大器的架构。

这意味着没有运算放大器可以轨到轨运行，除非它是完美的（内部没有电压降）。

对于上述问题是单电源同相放大器，这意味着它需要一个偏置才能摆动“负”

以供参考：

因此，它的4.576V -- 2.288V -- 0V

$V_{DD_{pp}}$ = 4.576V = 2.288V $V_{DD_{p}}$

通过实验，我发现放大器的压降约为~1.616Vpp

我们将做 2 个案例场景，其中，

输入_1 = 860mVpp

输入_2 = 1.14Vpp

增益 = 3.2

输入_1：860mVpp

VCM：

-0.3 < < 3.376 $V_{IN}$

输入电压：

1.858 < < 2.718 $V_{IN}$

Vin 在 Vcm 范围内

语音：

-15.424 < < 15 $V_{OUT}$

0.912 < < 3.664 $V_{OUT}$

Vo 在 Vcm 范围内

您会期望您的信号按照您的预期表现。

输入_2：1.14Vpp

VCM：

-0.3 < < 3.376 $V_{IN}$

输入电压：

1.658 < < 2.798 $V_{IN}$

Vin 在 Vcm 范围内

语音：

-15.424 < < 15 $V_{OUT}$

0.404 < < 4.052 $V_{OUT}$

Vo 在 Vcm 范围内

你会期望你的信号表现得和你预期的一样，但事实并非如此。

在我的示波器上，它在 2.96Vpp 处削波，但我们预计输出为 1.14Vpp * 3.2 = 3.648Vpp？发生的是运算放大器的电压降。

如上所述，运算放大器的压降约为 1.616Vpp，所以在故事中进行数学运算

VDD -Vod = 4.576 - 1.616 = 2.96Vpp ！！这实质上是在告诉我们我们的运算放大器实际上可以驱动到什么。现在这一切都说得通了。

本质上，运算放大器所说的轨到轨至少意味着您的 Vin 和 Vout 通常永远不会违反运算放大器的 VOM 和 VCM

这就是为什么当我增加 VDD ~6.1V 时，运算放大器实际上可以驱动到 3.648Vpp 的预期输出，如下所示：

Vdd - Vod = 6.1 - 1.616 = 4.484，因为运算放大器的新限制现在是 4.484Vpp，并且由于 3.648Vpp < 4.484Vpp，您可以在输出上看到它。

Vpk-pk = 3.6-(-0.3) = 3.9V。
意味着输入 Vpk-pk 是否合适？

可能。CM 范围的中点在这里不是 Vdd/2，而是 3.9/2=1.95V。这将允许输入信号高达 3.9Vpp。. 但是，您的增益会限制输出。

如果输出没有削波，则输出保持在线性范围内。它被定义为来自两个电源轨的对称削波@100mV，具体取决于连接到 VL=2.5V 的 >5k 的负载。这是因为 CMOS 轨到轨运算放大器在 Nch 或 Pch 驱动器上的削波电阻约为 250 欧姆。如果负载变为 Vss=0，则 Vss 上方的压差较小，但 Vdd 以下的压差更多，因为与 VL@2.5V 的规格相比，现在的电流是规格的两倍

Vin{pp}*Av=1.2*2.4=3.84Vpp 当输入和差分参考在 CM 范围中间附近都是公共的（零差分）时，将适合线性输出范围。（记住您的电源电压接近 2V）它也适用于本例中的 Vdd/2=Vcm 偏置。

建议：使用 25k 的 R 最小值作为反馈和负载组合

所有运算放大器的输出电阻都因负反馈增益而降低。但是削波会导致负反馈完全丢失。由于 FET 在 Vgs 降低时 RdsOn 上升（此处为 Vdd），因此已知它会迅速上升到 5V 以下，就像 CD4000 系列逻辑一样，在 Vdd min 时向 1kOhm 和更高。

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