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一、運(yùn)放的常用用法

運(yùn)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(hào)處理系統(tǒng)中有多種用法。

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

運(yùn)算放大器還能實(shí)現(xiàn)信號(hào)運(yùn)算功能，對(duì)多個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行加、減、乘、除等數(shù)學(xué)運(yùn)算，或積分和微分運(yùn)算。

此外，運(yùn)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(lái)產(chǎn)生周期性的高低電平切換，從而輸出方波信號(hào)。

以上為工程師最常見(jiàn)到的一些運(yùn)放設(shè)計(jì)應(yīng)用，下文總結(jié)近期客戶的一些應(yīng)用場(chǎng)景。

二、運(yùn)放的應(yīng)用案例

1、信號(hào)偏置與放大案例

通過(guò)多級(jí)運(yùn)放可實(shí)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(hào)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換為 - 10V~+10V 的輸出模擬信號(hào)。

對(duì)應(yīng)電路原理圖如下：

圖一、基于AiP072與AiP431A的信號(hào)偏置與放大電路

先通過(guò)一級(jí)同相求和運(yùn)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(duì)應(yīng)一級(jí)運(yùn)放的輸出電壓范圍為 - 2.5~2.5V。再利用二級(jí)同相比例運(yùn)算電路進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，得到 VO=4×VI，此時(shí)二級(jí)運(yùn)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(yùn)放的驅(qū)動(dòng)加強(qiáng)案例

運(yùn)放在小信號(hào)處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但負(fù)載能力較弱 （運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)能力通常在幾 mA 至 20mA 之間，短路電流一般不超過(guò) 50mA），因此很難驅(qū)動(dòng)繼電器、LED 燈、功率管、高阻耳機(jī)、電機(jī)、變壓器等負(fù)載，也無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離模擬傳輸?shù)男枨?。若?yīng)用場(chǎng)景需要幾百 mA 至 A 級(jí)的驅(qū)動(dòng)電流，現(xiàn)有運(yùn)放無(wú)法適配，需對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，以滿足百 mA 級(jí)甚至 A 級(jí)的驅(qū)動(dòng)需求。

圖二、運(yùn)放驅(qū)動(dòng)Q1

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

通過(guò)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(yuǎn)大于運(yùn)放，甚至可以高于專用的功率運(yùn)放。

3、運(yùn)放電流檢測(cè)案例

電流檢測(cè)方案主要分為霍爾檢測(cè)和電阻檢測(cè)兩類，其中霍爾電流檢測(cè)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)體積較大、成本偏高，優(yōu)勢(shì)則是具備電氣隔離功能。若應(yīng)用場(chǎng)景無(wú)電氣隔離，采用電阻采樣的電流檢測(cè)方式更為合適；為實(shí)現(xiàn)檢測(cè) ADC（獨(dú)立 ADC 芯片或集成 ADC 功能的 MCU）與被檢測(cè)設(shè)備的共地，我們常用的電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下。

圖三、低邊電流檢測(cè)

該結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于反激式開(kāi)關(guān)電源一次繞組的電流采集、低壓小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器三相橋的低側(cè)電流采集等場(chǎng)合，優(yōu)勢(shì)是低側(cè)電流測(cè)量設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，僅需一個(gè)運(yùn)放即可完成電流測(cè)量。

但該方案會(huì)在接地路徑中串入采樣電阻，數(shù)字電路或驅(qū)動(dòng)電路的高低電平切換會(huì)導(dǎo)致電流動(dòng)態(tài)變化，流入地的電流會(huì)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(huì)影響模擬部分的測(cè)量精度，還可能導(dǎo)致數(shù)字部分出現(xiàn)誤動(dòng)作。因此，在對(duì)地平面噪聲要求不高的系統(tǒng)中，低側(cè)電流測(cè)量是最簡(jiǎn)便的方案；若系統(tǒng)無(wú)法容忍地平面噪聲，則可選擇高側(cè)電流測(cè)量（又稱電源側(cè)采樣），其具備更強(qiáng)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(ài)芯AiP8199、AiP8280 系列電流檢測(cè)放大器專為電流檢測(cè)方案設(shè)計(jì)，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(shì)，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(guò)輸出外接一只RL（需要高精度，低溫漂電阻）對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整。該方案容易在負(fù)載外接其它電阻導(dǎo)致檢測(cè)錯(cuò)誤，工程師設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)放

電流檢測(cè)運(yùn)放通過(guò)前級(jí)增加一顆2路精密運(yùn)放可以做成儀表放大器，放大倍數(shù)可以通過(guò)調(diào)整電阻靈活調(diào)節(jié)。

圖七、AiP8199可以與AiP8552構(gòu)成儀表運(yùn)放

4、運(yùn)放的二階低通濾波

RC 濾波是無(wú)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(huì)形成分壓，負(fù)載阻值越大，輸出電壓越高；同時(shí)濾波帶寬會(huì)隨負(fù)載特性變化。

在無(wú)源濾波與負(fù)載之間增設(shè)一級(jí)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(yùn)放的放大特性，還能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(jìn)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(xiàng)目的轉(zhuǎn)折和帶內(nèi)波動(dòng)設(shè)計(jì)要求選擇具體的RC參數(shù)，詳細(xì)選型方法可參考《運(yùn)算放大器權(quán)威指南》一書(shū)第16章

5、運(yùn)放的對(duì)數(shù)應(yīng)用

模擬電路信號(hào)檢測(cè)中，針對(duì)輸入動(dòng)態(tài)范圍極大的信號(hào)，為覆蓋信號(hào)上下限且不降低性能，通過(guò)對(duì)數(shù)放大方式實(shí)現(xiàn)。

對(duì)數(shù)運(yùn)放的核心特點(diǎn)是，輸出值不會(huì)隨輸入線性增大，而是呈非線性增長(zhǎng)。對(duì)突發(fā)增大的信號(hào)，以非線性檢測(cè)方式壓縮信號(hào)幅度，適配寬動(dòng)態(tài)范圍需求。這類對(duì)數(shù)運(yùn)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(duì)數(shù)關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。

二極管一個(gè)重要公式為：ID ≈Is*e^Ud/Ut ，其存在對(duì)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(kāi)啟電壓時(shí)，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(jì)，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(duì)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(yùn)放、增益可調(diào)運(yùn)放或者在運(yùn)放反饋采用類似模擬開(kāi)關(guān)串聯(lián)電阻來(lái)調(diào)節(jié)放大比例，來(lái)使得信號(hào)在不同幅度運(yùn)算放大后仍然在幅值電壓范圍內(nèi)。

三、總結(jié)

運(yùn)放的應(yīng)用方式非常廣泛且靈活。除上述介紹的，還有過(guò)零檢測(cè)、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。