這幾天關于調運放的心得

ID:73477 · 發表于 2015-2-10 15:45

      好多年沒寫東西了，現在記一下這幾天調運放的心得，當做學習筆記。
      畢設里有個電路部分是關于噪聲采集的，利用Mic傳感器采集環境噪聲，Mic也俗稱咪頭。此部分的電路原理，是通過用運放放大來自Mic的微弱正弦信號，從而使STM32的ADC進行正常采集，再用FFT傅立葉運算采樣，然后算出其各諧波的頻率，再在LCD上繪制其頻譜，并進行分析。
      由Mic的PDF得知其輸出電壓峰峰值在1mv~15mv。在考慮需要放大多少倍的時候，要參考STM32自帶的ADC。STM32的ADC為12位，為了提高ADC采集的精度，最好放大到1V~2V。由公式得2000mv/1mv=200倍。
      在網上搜了些原理圖進行參考，目前手頭有袖珍的示波器，但沒有信號發生器，前2年幫同學買元件買多了一塊AD9850，想結合STM32做個簡易的信號發生器，但無論我怎么調9850硬是沒有輸出，全部補焊過一遍，測通信波形，全部正常，懷疑已經壞了，放棄之。翻抽屜，發現前2年做了一塊爛尾的51的板，上面有個TLC5615，是個10位的DAC，拆下來并成功驅動它輸出了正弦波。由于手頭的示波器比較簡易，顯示被測信號幅值和頻率并不準，所以用萬用表測正弦波得其有限值為0.7V，乘以1.4后得其峰峰值，0.98V約1V輸出。應該已經符合實驗需要了。
      由于手頭上運放只有LM358，就隨便找了塊萬板焊了個單運放放大器，電阻全用精密可調電位器替代，以方便調試。接上來自TLC5615的正弦信號，再接上示波器，無失真放大倍數只有2倍，調了很久實現放大200倍的初衷，即再放大就削頂了，此時用萬用表測輸出電壓為1.3V，即峰峰值為1.3*1.4=1.82V。

才放大2倍就已經要削頂了，調了整整一天沒有頭緒，起初是懷疑輸入電容把低頻信號都濾除的原因，更換了47uF的電容后，只是上電時信號緩沖時間長了些，并不會影響放大倍數，恨自己模電沒學好。通過和同學討論，直到調到半夜明白其原因。
原來是輸入信號的幅值過大造成的放大倍數很低。

（輸入信號的幅值x放大倍數）+基準電壓<輸出

如圖，為這次實驗采用的原理圖，采用反向放大。

      由于LM358運放非軌對軌運放，所以輸出電壓不可能和電源電壓一樣或相近，一般都是VCC-1~2v左右，實驗中運放用的是單電源+5V 供電，即輸出不可能超過4V。由于Mic輸出的為正負周期的音頻信號，如運放不對信號進行處理，使去在0V以上進行放大的話，其放大后的信號會被削掉負半周期。而解決辦法就是抬升正弦信號的中點，使其中點電壓在電源范圍內。由于運放電源使用的是-+5V，故在運放的正向輸入端利用電阻偏置，得到VCC/2的偏置電壓，也就是2.5V的中點電壓。
      結合上面的公式，也就是輸入信號放大后為1.82V峰峰值，加上2.5V中點電壓后為 4.32V，即超過了運放的最大輸出電壓，再對信號進行放大后必然然削頂！而解決辦法是增加電源電壓。
      顯然我的要求是放大10mv以內的信號，故信號可以放大至150倍即可接近運放最大輸出電壓。
      第二天立馬調了放大倍數為100倍，去掉TLC5615的正弦波，直接接上Mic，上電，喊話，熟悉的波形出現了。
      但由于LM358屬于普通運放，存在失調電壓，即把輸出短接到GND后，也會有幾mv的電壓，而且其帶寬增益積為1MHz，人聲為20Hz~20kHz，所以在放大20Khz信號200倍后，其需要2Mhz的帶寬，顯然LM358不夠，而且我只需要一級放大即可滿足要求。故解決辦法是更換運放型號。
      常用的儀用運放OP07性能優越，但帶寬增益積只有0.6Mhz，也不滿足要求，所以目標瞄準了它的兄弟型號OPA277 。
      OPA277也是單運放芯片，SO8封裝不是很占我的板子上的空間，帶寬增益積有8Mhz，而且可以低電壓供電，正負5V電壓可以從板子上的RS3232的電荷泵取。遂用Multisim10進行了仿真。

如圖，放大倍數用預設的200倍，即10mv放大至輸出2V，則由公式（R1/R2）+1=200，取R1=200K,R2=1K。為了輸入端與輸出端電阻值的匹配，R3取1K。為了使輸出電壓不超過4V，所以運放正向輸入端的電壓值取2V以下，實測得R4/（R4*R5）*5V=1.84V，即R4=17.5K，R5=30K。OP系列只能用雙電源供電以得到最高性能，如把運放同向輸入端的+5V改為-5V可以把信號拉低于0V，中點電壓為-2.5V。