这几天关于调运放的心得

ID:73477 · 发表于 2015-2-10 15:45

      好多年没写东西了，现在记一下这几天调运放的心得，当做学习笔记。
      毕设里有个电路部分是关于噪声采集的，利用Mic传感器采集环境噪声，Mic也俗称咪头。此部分的电路原理，是通过用运放放大来自Mic的微弱正弦信号，从而使STM32的ADC进行正常采集，再用FFT傅立叶运算采样，然后算出其各谐波的频率，再在LCD上绘制其频谱，并进行分析。
      由Mic的PDF得知其输出电压峰峰值在1mv~15mv。在考虑需要放大多少倍的时候，要参考STM32自带的ADC。STM32的ADC为12位，为了提高ADC采集的精度，最好放大到1V~2V。由公式得2000mv/1mv=200倍。
      在网上搜了些原理图进行参考，目前手头有袖珍的示波器，但没有信号发生器，前2年帮同学买元件买多了一块AD9850，想结合STM32做个简易的信号发生器，但无论我怎么调9850硬是没有输出，全部补焊过一遍，测通信波形，全部正常，怀疑已经坏了，放弃之。翻抽屉，发现前2年做了一块烂尾的51的板，上面有个TLC5615，是个10位的DAC，拆下来并成功驱动它输出了正弦波。由于手头的示波器比较简易，显示被测信号幅值和频率并不准，所以用万用表测正弦波得其有限值为0.7V，乘以1.4后得其峰峰值，0.98V约1V输出。应该已经符合实验需要了。
      由于手头上运放只有LM358，就随便找了块万板焊了个单运放放大器，电阻全用精密可调电位器替代，以方便调试。接上来自TLC5615的正弦信号，再接上示波器，无失真放大倍数只有2倍，调了很久实现放大200倍的初衷，即再放大就削顶了，此时用万用表测输出电压为1.3V，即峰峰值为1.3*1.4=1.82V。

才放大2倍就已经要削顶了，调了整整一天没有头绪，起初是怀疑输入电容把低频信号都滤除的原因，更换了47uF的电容后，只是上电时信号缓冲时间长了些，并不会影响放大倍数，恨自己模电没学好。通过和同学讨论，直到调到半夜明白其原因。
原来是输入信号的幅值过大造成的放大倍数很低。

（输入信号的幅值x放大倍数）+基准电压<输出

如图，为这次实验采用的原理图，采用反向放大。

      由于LM358运放非轨对轨运放，所以输出电压不可能和电源电压一样或相近，一般都是VCC-1~2v左右，实验中运放用的是单电源+5V 供电，即输出不可能超过4V。由于Mic输出的为正负周期的音频信号，如运放不对信号进行处理，使去在0V以上进行放大的话，其放大后的信号会被削掉负半周期。而解决办法就是抬升正弦信号的中点，使其中点电压在电源范围内。由于运放电源使用的是-+5V，故在运放的正向输入端利用电阻偏置，得到VCC/2的偏置电压，也就是2.5V的中点电压。
      结合上面的公式，也就是输入信号放大后为1.82V峰峰值，加上2.5V中点电压后为 4.32V，即超过了运放的最大输出电压，再对信号进行放大后必然然削顶！而解决办法是增加电源电压。
      显然我的要求是放大10mv以内的信号，故信号可以放大至150倍即可接近运放最大输出电压。
      第二天立马调了放大倍数为100倍，去掉TLC5615的正弦波，直接接上Mic，上电，喊话，熟悉的波形出现了。
      但由于LM358属于普通运放，存在失调电压，即把输出短接到GND后，也会有几mv的电压，而且其带宽增益积为1MHz，人声为20Hz~20kHz，所以在放大20Khz信号200倍后，其需要2Mhz的带宽，显然LM358不够，而且我只需要一级放大即可满足要求。故解决办法是更换运放型号。
      常用的仪用运放OP07性能优越，但带宽增益积只有0.6Mhz，也不满足要求，所以目标瞄准了它的兄弟型号OPA277 。
      OPA277也是单运放芯片，SO8封装不是很占我的板子上的空间，带宽增益积有8Mhz，而且可以低电压供电，正负5V电压可以从板子上的RS3232的电荷泵取。遂用Multisim10进行了仿真。

如图，放大倍数用预设的200倍，即10mv放大至输出2V，则由公式（R1/R2）+1=200，取R1=200K,R2=1K。为了输入端与输出端电阻值的匹配，R3取1K。为了使输出电压不超过4V，所以运放正向输入端的电压值取2V以下，实测得R4/（R4*R5）*5V=1.84V，即R4=17.5K，R5=30K。OP系列只能用双电源供电以得到最高性能，如把运放同向输入端的+5V改为-5V可以把信号拉低于0V，中点电压为-2.5V。