为了成功的设计放大电路,深入理解放大电路外接所有元器件的作用及其参数取值的方法是非常重要的,本节就下图 1 展开说明。下图 1 是一5V单电源供电的同向放大电路,其电路特性如下:
电源: 5V单电源
增益:10倍
频率特性:约300Hz~10KHz@-3dB
输入阻抗:约50kΩ@300Hz~10kHz
其外围电路包括以下四个部分。
反馈部分;
偏压部分;
输入部分;
输出部分;
图 1 5V单电源供电的同向放大电路
反馈部分
反馈电阻取值究竟多少合适?
多数运放电路的功能,只受外部电阻比例的影响,而与电阻阻值本身无关。比如一个本电路中增益为10倍的同相放大器,两个电阻取1k/9k,或者10k/90k(假设有类似阻值的电阻,仅做理论分析用),其分析结果都是一样的。朋友,相信自己的直觉,差异肯定有的,只是很多时候我们也说不出个所以然来。其实,这正是模拟电路的有趣之处,这种电路不光要考虑增益,还要考虑噪声及稳定性等电路的其他性能,你所知道的限制越多,考虑的越全面,说明你的水平越高。
一般情况下,没有特殊的要求,OP放大器的反馈电阻(R11)的阻值应该设定在十几kΩ。此为考虑到OP放大器的最大输出电流及稳定性(震荡不容易发生)等因素的合理值。经验也认为十几kΩ是比妥当的值。
不过当有特殊要求时,如要求宽带宽、低噪声时阻值应小一点。希望放大的信号的频率高达几十MHz以上时,R11应只取几百Ω。这是由于阻值增大后,受存在于放大器反向输入端电容的影响,电路的幅频特性曲线会产生峰值或者发生振荡。另外阻值小,电阻对应的热噪声就小,这对于想获得低噪声的电路来说很有帮助。
另附西北模电王杨教授对此问题的一些解释:
抑制直流分量放大的电容C9
再回归电路图 1 ,在偏压部分,由 2 只电阻和 1 只电容组成的电路输出直流信号(0Hz),通过 R7 接入 OP放大器的正输入端。叠加在直流偏压上的交流信号加于放大器的正输入端,希望放大器只放大交流信号,不放大直流偏压。
图 1 中 R10 与 C9 组成高通滤波电路,考虑C9的阻抗特性,将图 1 的增益表达为如下公式
G=1 R11/(R10 Zc9)
式中,Zc9是C9的阻抗(Ω)。
频率越高电容器的阻抗越小,反之阻抗越大。因此R10 Zc9会随着频率的下降而增大,使得增益趋近于1。
对于0Hz的信号,Zc9为无限大,呈现R10与地隔离不连接的状态。因此,对于0Hz的输入信号,放大电路增益G变为G=1 0=1(倍)
元件参数的确定方法
如前所述,图 1 所示OP放大器的增益,并非是0Hz时突然变成1倍,而是随着输入信号频率的下降逐渐降低。电路所特定要求的此增益降低的具体情况决定着C9的取值。
目标为开篇所述的频率特性:约300Hz~10kHz@-3dB,即电容的取值应按照300Hz和10kHz时增益衰减-3dB的目标要求而确定。使增益衰减-3dB的频率称为截止频率。300Hz称为低频截止频率,10kHz称为高频截止频率。
低频截止频率F(L),如下公式计算,由C9和R10决定:
F(L)=1/(2*π*C9*R10)
代入可得,C9≈0.265uF
因此,C9取值应该大于0.265uF,考虑到余量,C9取1uF,实际的低频截止频率降低到80Hz。