以下列条件设计一反相放大器:增益为1倍、方波输出Vout=1Vp-P、频率特性f-3db≥500kHz、输入阻抗10kΩ、输出失调电压6mV以内。
1.选择运放
根据以上条件,选用低失调电压、小偏置电流的FET输入型运放μPC811。这种运放的偏置电流约200nA,当输入阻抗为10kΩ时,输出失调电压为10kΩx200nA=2mV,其电路如图1。如果运放的偏置电流较大,则可如图2那样,在同相输入端与地端之间接人一个电阻.其值为R1和R2的并联值,也可降低输出失调电压。
2.选择电阻
增益与电阻值的关系为K=R2/R1.因K=1,故R2=R1,可取值为10kΩ。在增益确定的情况下,电阻值究竟取大一些或小一些更好?
假设R2=R1=100MΩ,增益仍为1倍(见图3),但会出现以下缺点:
●输出失调电压增高。如上所述.200nA的输入偏置电流流经R2,会输出200nAxl00MΩ=20V的失调电压。
●印板设计困难。面对l00MΩ的高阻抗,印刷电路因漏电或湿度增大使绝缘电阻降低,均会对电路性能造成影响:同时分布电容也会增大影响而在输出端出现异常波形:甚至用手靠近电路板也会令输出波形晃动,必须将电路屏蔽起来。
●再也不能忽视运放输人偏置电流、印刷电路间泄漏电流、二极管(在运放输入端接入保护二极管时1反向漏电流的影响。
●R2和R1交点A与地间的电容cinf运放输入电容和印刷电路分布电容之和)和两个100MΩ电阻并联值构成的低通滤波器,其截止频率低.容易引起振荡,需要加入防振电容C,但这又会使电路的频率特性降低。
●输出噪声增加。可见电阻值选太大是不适合的。
又假设R2=R1=10Ω,增益仍是1倍(见图4),但由于在无负反馈时运放的输出阻抗约100Ω,在负反馈端施加的反馈电压因反馈电阻仅10Ω而太低,将造成直流漂移增大和频率特性下降。
以上是电阻值取值的极端情况.在设计中,R1和R2的取值范围应在100kΩ以内为好。
3.防振电容量的选择
在R1=R2=100kΩ时,在输出方波的前、后沿均叠加有振荡,这是由于两个lOOkΩ电阻并联值和电容Cin构成的低通滤波器引起的,通过加入Cf可以消除这种振荡。但通常运放生产商对通用运放的Cin没有具体规定,Cf值的选择最好通过试探法来选择,刚好能抑制振荡即可。本例在C,=7pF时消振效果最佳,而通过波形分析,测算出的Cin为6.8pF,这在FET输入的运放中是个意外偏大的值。
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