從零學(xué)運(yùn)放—08積分電路_開關(guān)電源等一些電路講解

這一節(jié)課我們來講下積分放大宛裕，積分放大是非常有用的一個(gè)東西劲赠，但是一般來說大家比較陌生延欠，它實(shí)際上在開關(guān)電源中大量使用欺矫，那么下圖就是一個(gè)開關(guān)電源電路

最常用的手機(jī)充電器啊，還有一些5W到10W甚至20W的 一些小的開關(guān)電源一般都采用上圖RCC的開關(guān)電源篮奄。他里邊用到了一個(gè)反饋系統(tǒng)捆愁，就是下圖（上圖的部分電路）

這個(gè)管子的型號叫TL431割去，那么輸出的電壓經(jīng)過兩個(gè)分壓之后產(chǎn)生的信號過來給這個(gè)芯片，之后當(dāng)高于2.5伏的時(shí)候那么就控制像二極管似的負(fù)端一個(gè)低電平昼丑，然后通過RC反饋回來呻逆，那么高于2.5伏讓它變低，低于2.5伏讓這變高這樣一個(gè)電路菩帝。反饋回路我們看到串了一個(gè)電容咖城，按照放大來說，反饋一個(gè)電阻就可以了呼奢，但這里串了一個(gè)電容宜雀，這個(gè)電容就構(gòu)成了積分，所以這是個(gè)積分放大電路握础，那么積分放大電路一般用在哪個(gè)地方呢州袒，一般用于系統(tǒng)延時(shí)比較長的電路中。

典型的案例就是工控（工業(yè)控制自動化）弓候，自控系統(tǒng)里往往反饋周期比較長郎哭，那么需要引入PID的一個(gè)算法，P是比例菇存，I是積分夸研，D叫微分。那么延時(shí)比較長的系統(tǒng)呢依鸥，典型我們生活中的案例是什么呢亥至，我們洗澡的時(shí)候調(diào)節(jié)水溫，尤其冬天贱迟，我們水是冷的姐扮，那么需要一個(gè)熱水器把水加熱，那么我們加熱的時(shí)候剛開始的時(shí)候我們肯定是加的最熱的衣吠。那么我們先出的熱水茶敏，那么熱水又太燙了，那么我們要調(diào)節(jié)熱水跟冷水的比例關(guān)系缚俏，最后不停的調(diào)節(jié)達(dá)到我們想要的溫度惊搏。那么這個(gè)過程我們需要十幾到二十秒過程都有可能，那么這就是個(gè)很滯后的一個(gè)系統(tǒng)忧换，所以一般PID算法適應(yīng)于響應(yīng)速度很慢的恬惯，用于滯后系統(tǒng)很長的系統(tǒng)中。

那么開關(guān)電源呢亚茬，對于線性電源來說或者運(yùn)放來說是一個(gè)響應(yīng)速度比較慢的系統(tǒng)酪耳，那么這個(gè)時(shí)候普通的也就像運(yùn)放一樣直接反饋回去的方式有一些失效，那么要采用PID算法尤其這里的I算法（積分算法）刹缝。PID算法還是很復(fù)雜的碗暗，那么我們?yōu)榱撕喕幌陆甭覀儼验_關(guān)電源圖變成下圖

上圖是開始開關(guān)電源的等效電路圖，剛才我們講了讹堤，開關(guān)電源里用了一個(gè)TL431芯片（比較器），它的參考電壓是2.5伏厨疙，我可以看到上圖洲守，我們把開關(guān)電源用了一個(gè)模塊來表示了

里邊有（變壓器隔離反饋、延時(shí)沾凄，再開關(guān)）然后產(chǎn)生一個(gè)5伏梗醇，我們加入開關(guān)電源產(chǎn)生一個(gè)5伏的，我們加上右側(cè)兩個(gè)電阻一樣撒蟀，分壓得到一個(gè)2.5伏叙谨，2.5伏經(jīng)過Reference引腳反饋給芯片，跟運(yùn)放內(nèi)部負(fù)反饋（內(nèi)部參考電壓2.5伏）比較保屯。那比較之后呢產(chǎn)生的信號Cathode手负，返回控制開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)5伏的輸出這么一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

假設(shè)用常規(guī)電路來說姑尺，我們需要得到一個(gè)5伏的電壓竟终，那么我們的右側(cè)電阻（阻值一樣，都用1K）分壓切蟋，那么中間就是2.5伏比較就可以了统捶。那么這種比較呢會存在一個(gè)問題，比如芯片反饋回路里沒有電容和電阻的話柄粹，由于芯片內(nèi)是一個(gè)運(yùn)放喘鸟，放大倍數(shù)很大，所以輸入信號的2.5伏在臨界點(diǎn)上不停的波動驻右，但是開關(guān)電源的延時(shí)時(shí)間比較長呢什黑，就會導(dǎo)致震蕩，就不停的開關(guān)性的震蕩堪夭。

比如說輸入信號高于2.5伏兑凿，那么完全輸出為0了，那低于2.5伏呢那么完全又導(dǎo)通茵瘾，100%的開關(guān)導(dǎo)通礼华，也就是高于2.5伏100%關(guān)閉，低于2.5伏100%的導(dǎo)通拗秘。形成了一個(gè)間歇式的震蕩圣絮。這個(gè)是大家受不了的，甚至?xí)?dǎo)致變壓器有聲音雕旨。因?yàn)樵谂R界點(diǎn)上放大倍數(shù)太強(qiáng)了扮匠，在2.5伏上波動捧请。那么放大倍數(shù)太強(qiáng)的話必將引起震蕩。放大倍數(shù)太高棒搜，帶寬就降下來了疹蛉，帶寬下來，相位就會有移動力麸，那么導(dǎo)致了震蕩可款。

那么解決方式就是加入一個(gè)反饋電阻，把放大倍數(shù)降下來克蚂，比如說我們把放大倍數(shù)設(shè)置成10倍闺鲸，那么十倍的話我們要驅(qū)動比較器，5伏必須要有個(gè)誤差埃叭，比如我們反饋回來電壓是2伏摸恍，2伏跟2.5伏相比有0.5伏誤差，0.5伏再經(jīng)過10倍的放大赤屋，0.5*10那么就是5伏輸出立镶，那就ok了。那么右側(cè)電阻加入上面3K下面2K类早，那么獲取2伏作為參考點(diǎn)就ok了谜慌。那么分壓電阻就不會定死1K和1K分壓得到2.5伏參考點(diǎn)，而是用3K和2K產(chǎn)生一個(gè)2伏的反饋點(diǎn)莺奔，那么2伏到正相端和2.5伏比較欣范，就是0.5伏的誤差，再放大十倍那就得到5伏令哟，形成這樣一個(gè)系統(tǒng)恼琼，那么這里就有個(gè)問題了，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候整個(gè)反饋系統(tǒng)我們的比較器這塊系統(tǒng)我可以控制10倍放大屏富，但是開關(guān)電源處是比較難以控制的晴竞，那么整個(gè)系統(tǒng)多少倍我就不好明確了，不好明確那么我們的分壓電阻就不好取了狠半，很容易取出來大于5伏也有可能小于5伏噩死，因?yàn)檫@個(gè)用有限的放大倍數(shù)的話必須要一個(gè)誤差項(xiàng)，誤差項(xiàng)經(jīng)過放大才能達(dá)到目標(biāo)值神年。因?yàn)榉糯蟊稊?shù)又不能太大已维，因?yàn)樘髸鹫鹗帲翘〉脑挶厝徽`差越來越大已日，因?yàn)槲覀冋f放大倍數(shù)為無窮大的時(shí)候那么才能逼近目標(biāo)值——所以這個(gè)是P算法垛耳，也就是這個(gè)誤差系數(shù)他永遠(yuǎn)追著無窮大的時(shí)候才能達(dá)到目標(biāo)值，它非無窮大的時(shí)候總是跟目標(biāo)值有一定的誤差。

那么為了解決這個(gè)問題我們引入了一個(gè)I算法堂鲜，這個(gè)I算法就是把所有的誤差積累起來（這里是通過電容）栈雳，積累起來之后（有負(fù)有正），最后達(dá)到目標(biāo)值缔莲，最后逼近目標(biāo)值哥纫，就是這樣一個(gè)目的。用串聯(lián)一個(gè)電容的好處就是比如我想達(dá)到5伏痴奏，那么我知道參考電壓是2.5伏蛀骇，那么分壓電阻的取值1K、1K可以取抛虫。那么分壓得到2.5伏，那2.5伏之后跟參考電壓去比較就可以了简僧，那么最終這個(gè)電路通過積分建椰，最后就達(dá)到了5伏，并且以稍微慢的速度來逼近達(dá)到5伏岛马，這個(gè)就符合我們的需求棉姐。

舉個(gè)例子，比如我剛開機(jī)啦逆，5伏處電壓比較低伞矩，那么分壓出也低，那么跟2.5伏比較誤差很大夏志，就會導(dǎo)致輸入端0伏過來導(dǎo)致開關(guān)電源輸出一個(gè)最大電流乃坤，輸出如果馬上大上去的話，輸入低沟蔑，輸出必定出現(xiàn)一個(gè)高湿诊，因?yàn)檩敵鎏巸?nèi)部是反相的，高之后呢瘦材，因?yàn)槲覀兎答伝芈防镉袀€(gè)電容厅须，反饋回路阻值不會很大，輸出端的突變食棕，電壓那上通過反饋回路反饋回到輸入端朗和，那么電容可以理解為突變流到正相反饋端，逼著輸出端不能一下子就給到開關(guān)電源處簿晓，如果沒有這個(gè)電容的話眶拉，輸出突變會直接給到開關(guān)電源，開關(guān)電源完全導(dǎo)通憔儿，那么有這個(gè)電容之后讓電壓慢慢上去镀层，緩變了一下，那么輸出電壓是從0伏慢慢到達(dá)5伏，那么我們的開關(guān)電源唱逢，一般不讓它馬上達(dá)到5伏吴侦，慢慢到5伏是比較好的，如果突然到5伏的話坞古，會出現(xiàn)一個(gè)過沖备韧，超過5伏到6伏或7、8伏了痪枫，再掉下來很容易把我們的設(shè)備燒了织堂，這是很可怕的事情。

比如一些芯片承受能力就在5-6伏奶陈，比如CMOS的運(yùn)放易阳，它電壓也就在6伏附近，那一下子電壓一沖擊過來變成6伏吃粒、7伏了潦俺，一下就把芯片給燒了。

這個(gè)電路剛開始就是通過這個(gè)電容徐勃，把電壓鎖住了事示，電壓上升過程很慢，慢慢之后讓參考點(diǎn)逐漸逼近2.5伏僻肖，輸出端電壓掉下來肖爵，從而讓開關(guān)電源有個(gè)穩(wěn)定的輸出。這個(gè)過程中類似于IOC串上一個(gè)電阻臀脏，跟阻尼震蕩一樣劝堪，慢慢慢慢逼近5伏。

那么具體這方面大家參考下PID算法揉稚，D算法很少用到幅聘，但是I算法非常非常重要，因?yàn)樽詣涌刂评镞吿貏e強(qiáng)調(diào)的窃植，以前都是用模擬運(yùn)放搭的帝蒿，比如一些積分電路，微分電路搭的巷怜。那今天來說用單片機(jī)之后葛超，用模擬實(shí)現(xiàn)積分放大很少，但在開關(guān)電源中還是在大量使用延塑。

下面講一下绣张，差分轉(zhuǎn)單端。因?yàn)檫@個(gè)地方用的也是比較多的关带，典型的案例就是電子稱侥涵。

電子稱一般采用橋式的四個(gè)電阻取出來沼撕，之后把輸入變成單端信號，就是電橋取樣芜飘。那么我們可以看到這種電路如何分析呢务豺。我們假設(shè)同相、反相輸入信號為零嗦明，那么反相輸入端R4接地為0笼沥，輸出通過R5接地，也為零娶牌。輸入輸出都是零奔浅，就可以組成方程來解，輸入和輸出關(guān)系诗良。那么就滿足個(gè)平衡汹桦。

這里我們看到R1是2K，R2是100K鉴裹，那么R2和R1之間的比例關(guān)系是50倍舞骆，R3是2K、R4是100K壹罚，那么看到同相端葛作、反相端是對稱的寿羞。那么R2和R1的比例關(guān)系決定了運(yùn)放的放大倍數(shù)猖凛。比如說這個(gè)差分電路，同相輸入1伏绪穆，反相輸入-1伏的話辨泳，那么誤差就是2伏了，那么R2和R1產(chǎn)生的放大倍數(shù)50倍玖院，一乘起來就很大了菠红。當(dāng)然電壓不可能超過Vcc電壓（電源軌）。那這個(gè)就是電子稱一類的差分電路难菌。注意電阻必須對稱试溯。

上邊這個(gè)電路圖是非常有意思的。這個(gè)芯片運(yùn)用于一些電力方面比如說我一個(gè)工作的電路板郊酒，參考電壓是0—3.3伏附近就是工作低壓遇绞，但是我采樣的電壓呢有可能工作在200-300伏上，那么200-300伏變成差分信號燎窘，比如說我們某一個(gè)電路上通過一個(gè)小電阻測量電流是多少摹闽，那采樣部分的電壓跟我控制部分的電壓落差可能有100-200伏，那怎么辦呢褐健？

那么我們就可以通過上邊的芯片AD629付鹿，內(nèi)部把電阻都做進(jìn)去了，它是專用的一個(gè)，可以抗很高共模的一個(gè)差分轉(zhuǎn)單端的芯片舵匾，什么意思呢俊抵，你可以看到3腳輸入，輸入很高的電壓通過380千歐姆和20千歐串聯(lián)分壓了纽匙，5腳一般接地务蝠，1腳也接地，380和20分壓就是19:1了烛缔，也就是說190伏馏段，經(jīng)分壓也就是10伏了，所以說3腳就可以接一些高壓的地方践瓷。

那么同樣的2腳經(jīng)過一個(gè)380K歐與21.1K進(jìn)行分壓院喜，那電壓也就下來了，那么橫向的380K（6引腳晕翠，輸出上內(nèi)部連的電阻）其實(shí)和21.1K是并連起來喷舀，因?yàn)槟J(rèn)情況下加入輸入電壓為0（同相反相），1腳也為0淋肾，6腳也0硫麻，5腳也0忠荞，恰好是個(gè)方程的解魄鸦。1腳上電阻和6腳上電阻并聯(lián)，它恰好是等于5腳上20K的電阻的氢架，實(shí)現(xiàn)完全的對稱碌尔，那么這個(gè)就轉(zhuǎn)形成電子稱電路圖了浇辜。

那么這個(gè)芯片內(nèi)部電路放大倍數(shù)是多少呢，因?yàn)樾盘栠M(jìn)來電阻可以認(rèn)為把信號分壓了唾戚，分壓成小電壓了柳洋，比如2腳和3腳之間信號差分是1伏，但是通過分壓叹坦，分壓之后很小很小了熊镣，所以必須通過反饋接一個(gè)380K歐的電阻把這個(gè)信號再放大起來，最后實(shí)現(xiàn)這個(gè)芯片放大倍數(shù)為1募书，那就實(shí)現(xiàn)了抗共模取差模的功能绪囱。這個(gè)芯片還是不錯(cuò)的。

常用的二階低通濾波器呢用的還是比較多的锐膜，比如PIM單片機(jī)想得到一個(gè)D/A信號毕箍，就是得到一個(gè)模擬量，一種方式用D/A轉(zhuǎn)換來做道盏，D/A轉(zhuǎn)換之后而柑，再加些運(yùn)算放大文捶。第二種方式就用PDM來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楝F(xiàn)在單片機(jī)都有PDM媒咳，DAC到不見得有粹排，所以PDM之后呢，再通過上邊電路的二階濾波就可以得到一個(gè)比較好的模擬信號涩澡。

可以先看作一級RC

下邊是二級RC

這樣就得到2級的RC濾波顽耳，C1腳接到了輸出端，輸出端對交流來說它是虛短的妙同，那么C1與輸出接的腳完全等價(jià)于接地和C2是等價(jià)的射富。你可以認(rèn)為R1與C1、R2與C2信號經(jīng)過這兩級濾波然后進(jìn)入運(yùn)放輸出粥帚。二階低通濾波用的是比較多的胰耗。

這個(gè)圖是BTL電路，現(xiàn)在接觸的人不多芒涡，但是以前是很多很多的柴灯。最典型的就是汽車上的功放，汽車上的功放用的就是BTL電路费尽，它很適合于電瓶之類的單電源供電的音響場合赠群。實(shí)際就是兩路功率型的功放，10引腳信號經(jīng)過功放旱幼，通過電阻橋接到1引腳在通過電容進(jìn)入6引腳進(jìn)入下方功放的反相輸入查描，上邊一路是正相輸入，之后輸出信號經(jīng)過電容通過另外一個(gè)功放反相輸入速警，當(dāng)上路功放輸出為同相端高的時(shí)候叹誉，到下邊是反相端輸入恰好2腳位低鸯两，實(shí)現(xiàn)了BTL也就是推挽輸出闷旧。還有一個(gè)地方用的非常廣泛，我們鋰電池供電的手機(jī)钧唐、MP3很大程度上都是用的這種電路忙灼。

這種電路最大好處是沒有輸出電容，沒有輸出隔直電容钝侠，因?yàn)榇蠊β瘦敵鲇懈糁彪娙葆槍ν夥艁碚f是非常頭疼的该园，比如說常用于手機(jī)上的芯片。

好這部分就講到這里帅韧。

接下里我們快速瀏覽下LM358芯片手冊

1里初、內(nèi)部有頻率補(bǔ)償電容，也就是之前提到的相位補(bǔ)償忽舟，就是下圖中的Cc電容

2双妨、大的直流電壓增益淮阐，有100dB，100dB大概是100/20那就是5刁品，10的5次方也就是100K泣特，10萬倍的放大。

3挑随、寬帶寬状您，1.1MHz（帶有溫度補(bǔ)償）

4、非常低的供電電流（500uA）兜挨，依賴于電壓膏孟，不同電壓下電流是不一樣的。

5拌汇、低的輸入偏置電流骆莹，10nA（帶溫度補(bǔ)償）

6、低的失調(diào)電壓担猛，大概2mV幕垦，其實(shí)這個(gè)2mV是很大的了，所以說LM358只能用于普通場合

7傅联、低的輸入失調(diào)電流先改，2nA，這個(gè)值其實(shí)不算很大

8蒸走、輸入共模電壓范圍仇奶，包括地（就是輸入電壓可以到地）

9、差分輸入電壓范圍可以等值為電源電壓比驻，比如電源電壓是20伏该溯，那么差分的電壓可以達(dá)到20伏

10、最大輸出電壓是從0伏到Vcc-1.5伏别惦，之前見過這個(gè)電路里邊Q5和Q6導(dǎo)通分別有0.5的壓降狈茉，那么合起來就是1，加上100uA的恒流源它也有個(gè)壓降掸掸，所以這就減掉了1.5氯庆，但實(shí)際上呢，一般的講扰付，比如說Vcc是10伏的話堤撵，輸出一般不要超過5伏吧，是比較好的（如果是線性區(qū)的話）羽莺。如果不考慮線性區(qū)無所謂实昨。之前講過低電壓的時(shí)候，雖然電壓輸出可以0伏盐固，但是輸出如果跟的是容性負(fù)載的話荒给，0伏不是馬上就能夠到0的族跛。之前講過，比如說Q12完全導(dǎo)通锐墙，那就是0.3伏礁哄，0.3伏加上Q13的0.5伏壓降，那么輸出最低0.8伏溪北，因?yàn)榈陀?.8伏的話桐绒，電流吸不走的，對于容性負(fù)載來說之拨，電壓就一直保留著茉继。如果是電阻性負(fù)載的話那問題不太大，上邊Q5蚀乔、Q6關(guān)閉烁竭，電流沒下來必然是0伏了，但是所有的東西必然帶有電容特性吉挣，所以說為了加快它到0伏的話派撕，一般輸出端下拉一個(gè)幾百到1K的電阻，讓它快速的哪怕有容性的把電容的點(diǎn)給吸收掉睬魂，可以輸出為0伏终吼。

11、封裝來說SO-8是最常見的氯哮，DIP8現(xiàn)在很少有人用了际跪。

下圖是極限參數(shù)

電壓范圍雙電源+/-16伏，單電源32伏

輸入電壓范圍-0.3到+32伏喉钢，現(xiàn)在任何一個(gè)芯片內(nèi)部都有二極管保護(hù)姆打，那么這個(gè)0.3其實(shí)就是二極管保護(hù)，輸入電壓低不能低于內(nèi)部二極管導(dǎo)通肠虽，二極管就是為了保護(hù)一些靜電啊幔戏，如果Non-invertinginput低于超過0.5伏，那么就會導(dǎo)致保護(hù)二極管會燒壞舔痕，所以說不能低于負(fù)0.3伏评抚。

差分輸入電壓范圍豹缀，可以全電源范圍就是32伏

功耗500mW伯复，因?yàn)镾O-8封裝體積非常小，功耗只能做到這么大邢笙，500mW其實(shí)手摸上去就已經(jīng)發(fā)熱了啸如。這是最大，如果供電電壓越高發(fā)熱量就越大氮惯。

輸出短路持續(xù)時(shí)間叮雳，無限大想暗，因?yàn)閮?nèi)部有保護(hù)短路電阻

輸入電流，50mA

接下來講下應(yīng)用帘不，如下圖是條件

這是供電5伏下測的特性说莫，我們這里只看LM358

輸入失調(diào)電壓，典型值是2mV Vos

輸入失調(diào)電流寞焙，2nA Ios

輸入偏置電流储狭，20nA Ib

增益放大，100K捣郊，

電源抑制比（SVR）辽狈，當(dāng)電源有紋波波動的時(shí)候，那么對輸出是有影響的呛牲。條件是負(fù)載為10K歐情況下刮萌，這個(gè)值越高越好。

輸入共模電壓范圍（Vcm）娘扩，Vcc-1.5

共模抑制比（CMR）着茸，85dB。就是差模的放大倍數(shù)除以共模的放大倍數(shù)琐旁，之后取log元扔，這個(gè)值越高越好。

輸出電流（Isource）旋膳，可以達(dá)到40mA

輸出吸收的電流（Isink）澎语，可以達(dá)到20mA

輸出電壓的擺幅（Vopp），可以Vcc-1.5V

壓擺率表示了芯片的頻響特性验懊，這個(gè)值越大擅羞，帶寬值就越高。1uS電壓可以達(dá)到0.6伏

帶寬增益積（GBP）义图，極限帶寬1.1MHz

交越失真（THD）0.02%减俏，這個(gè)值對HIFI音響來說是很重要的，比如我們一個(gè)正弦波碱工，信號過來給芯片娃承，輸出不可能百分之百正弦波，那基頻是正弦波怕篷，那么把三次历筝、五次的疊加的信號能量和基頻能量這個(gè)比例關(guān)系，其實(shí)就叫交越失真廊谓。

噪聲（en）梳猪，55nV/(根號Hz)，單位為什么是這樣呢蒸痹，因?yàn)樵肼暃]辦法在有一個(gè)頻點(diǎn)有噪聲春弥，這是沒法做的呛哟，沒辦法說某個(gè)頻點(diǎn)上有多少噪聲，只能說某個(gè)頻帶上有多少噪聲匿沛。比如說1KHz到101Hz這區(qū)間內(nèi)扫责，有多少噪聲的能量，我無法說幅度逃呼，因?yàn)檫@個(gè)幅度是隨機(jī)波動的公给。

輸入失調(diào)電壓溫漂（DVio），7uV/℃

輸入失調(diào)電流溫漂（DIIio）蜘渣，10pA/℃

Vo1/Vo2淌铐，這個(gè)是LM358是雙通道的，120dB蔫缸，這個(gè)值很少有人關(guān)心腿准，可以認(rèn)為是理想的

電壓增益和頻率之間的關(guān)系

頻率和電壓輸出幅度之間的關(guān)系

輸入信號和輸出信號延時(shí)關(guān)系

輸出電壓和輸出電流關(guān)系

到此本章內(nèi)容結(jié)束！