从零学运放—08积分电路_开关电源等一些电路讲解

从零学运放—08积分电路_开关电源等一些电路讲解

这一节课我们来讲下积分放大，积分放大是非常有用的一个东西，但是一般来说大家比较陌生，它实际上在开关电源中大量使用，那么下图就是一个开关电源电路

最常用的手机充电器啊，还有一些5W到10W甚至20W的 一些小的开关电源一般都采用上图RCC的开关电源。他里边用到了一个反馈系统，就是下图（上图的部分电路）

这个管子的型号叫TL431，那么输出的电压经过两个分压之后产生的信号过来给这个芯片，之后当高于2.5伏的时候那么就控制像二极管似的负端一个低电平，然后通过RC反馈回来，那么高于2.5伏让它变低，低于2.5伏让这变高这样一个电路。反馈回路我们看到串了一个电容，按照放大来说，反馈一个电阻就可以了，但这里串了一个电容，这个电容就构成了积分，所以这是个积分放大电路，那么积分放大电路一般用在哪个地方呢，一般用于系统延时比较长的电路中。

典型的案例就是工控（工业控制自动化），自控系统里往往反馈周期比较长，那么需要引入PID的一个算法，P是比例，I是积分，D叫微分。那么延时比较长的系统呢，典型我们生活中的案例是什么呢，我们洗澡的时候调节水温，尤其冬天，我们水是冷的，那么需要一个热水器把水加热，那么我们加热的时候刚开始的时候我们肯定是加的最热的。那么我们先出的热水，那么热水又太烫了，那么我们要调节热水跟冷水的比例关系，最后不停的调节达到我们想要的温度。那么这个过程我们需要十几到二十秒过程都有可能，那么这就是个很滞后的一个系统，所以一般PID算法适应于响应速度很慢的，用于滞后系统很长的系统中。

那么开关电源呢，对于线性电源来说或者运放来说是一个响应速度比较慢的系统，那么这个时候普通的也就像运放一样直接反馈回去的方式有一些失效，那么要采用PID算法尤其这里的I算法（积分算法）。PID算法还是很复杂的，那么我们为了简化一下，我们把开关电源图变成下图

上图是开始开关电源的等效电路图，刚才我们讲了，开关电源里用了一个TL431芯片（比较器），它的参考电压是2.5伏，我可以看到上图，我们把开关电源用了一个模块来表示了

里边有（变压器隔离反馈、延时，再开关）然后产生一个5伏，我们加入开关电源产生一个5伏的，我们加上右侧两个电阻一样，分压得到一个2.5伏，2.5伏经过Reference引脚反馈给芯片，跟运放内部负反馈（内部参考电压2.5伏）比较。那比较之后呢产生的信号Cathode，返回控制开关电源实现5伏的输出这么一个闭环系统。

假设用常规电路来说，我们需要得到一个5伏的电压，那么我们的右侧电阻（阻值一样，都用1K）分压，那么中间就是2.5伏比较就可以了。那么这种比较呢会存在一个问题，比如芯片反馈回路里没有电容和电阻的话，由于芯片内是一个运放，放大倍数很大，所以输入信号的2.5伏在临界点上不停的波动，但是开关电源的延时时间比较长呢，就会导致震荡，就不停的开关性的震荡。

比如说输入信号高于2.5伏，那么完全输出为0了，那低于2.5伏呢那么完全又导通，100%的开关导通，也就是高于2.5伏100%关闭，低于2.5伏100%的导通。形成了一个间歇式的震荡。这个是大家受不了的，甚至会导致变压器有声音。因为在临界点上放大倍数太强了，在2.5伏上波动。那么放大倍数太强的话必将引起震荡。放大倍数太高，带宽就降下来了，带宽下来，相位就会有移动，那么导致了震荡。

那么解决方式就是加入一个反馈电阻，把放大倍数降下来，比如说我们把放大倍数设置成10倍，那么十倍的话我们要驱动比较器，5伏必须要有个误差，比如我们反馈回来电压是2伏，2伏跟2.5伏相比有0.5伏误差，0.5伏再经过10倍的放大，0.5*10那么就是5伏输出，那就ok了。那么右侧电阻加入上面3K下面2K，那么获取2伏作为参考点就ok了。那么分压电阻就不会定死1K和1K分压得到2.5伏参考点，而是用3K和2K产生一个2伏的反馈点，那么2伏到正相端和2.5伏比较，就是0.5伏的误差，再放大十倍那就得到5伏，形成这样一个系统，那么这里就有个问题了，因为很多时候整个反馈系统我们的比较器这块系统我可以控制10倍放大，但是开关电源处是比较难以控制的，那么整个系统多少倍我就不好明确了，不好明确那么我们的分压电阻就不好取了，很容易取出来大于5伏也有可能小于5伏，因为这个用有限的放大倍数的话必须要一个误差项，误差项经过放大才能达到目标值。因为放大倍数又不能太大，因为太大会引起震荡，那太小的话必然误差越来越大，因为我们说放大倍数为无穷大的时候那么才能逼近目标值——所以这个是P算法，也就是这个误差系数他永远追着无穷大的时候才能达到目标值，它非无穷大的时候总是跟目标值有一定的误差。

那么为了解决这个问题我们引入了一个I算法，这个I算法就是把所有的误差积累起来（这里是通过电容），积累起来之后（有负有正），最后达到目标值，最后逼近目标值，就是这样一个目的。用串联一个电容的好处就是比如我想达到5伏，那么我知道参考电压是2.5伏，那么分压电阻的取值1K、1K可以取。那么分压得到2.5伏，那2.5伏之后跟参考电压去比较就可以了，那么最终这个电路通过积分，最后就达到了5伏，并且以稍微慢的速度来逼近达到5伏，这个就符合我们的需求。

举个例子，比如我刚开机，5伏处电压比较低，那么分压出也低，那么跟2.5伏比较误差很大，就会导致输入端0伏过来导致开关电源输出一个最大电流，输出如果马上大上去的话，输入低，输出必定出现一个高，因为输出处内部是反相的，高之后呢，因为我们反馈回路里有个电容，反馈回路阻值不会很大，输出端的突变，电压那上通过反馈回路反馈回到输入端，那么电容可以理解为突变流到正相反馈端，逼着输出端不能一下子就给到开关电源处，如果没有这个电容的话，输出突变会直接给到开关电源，开关电源完全导通，那么有这个电容之后让电压慢慢上去，缓变了一下，那么输出电压是从0伏慢慢到达5伏，那么我们的开关电源，一般不让它马上达到5伏，慢慢到5伏是比较好的，如果突然到5伏的话，会出现一个过冲，超过5伏到6伏或7、8伏了，再掉下来很容易把我们的设备烧了，这是很可怕的事情。

比如一些芯片承受能力就在5-6伏，比如CMOS的运放，它电压也就在6伏附近，那一下子电压一冲击过来变成6伏、7伏了，一下就把芯片给烧了。

这个电路刚开始就是通过这个电容，把电压锁住了，电压上升过程很慢，慢慢之后让参考点逐渐逼近2.5伏，输出端电压掉下来，从而让开关电源有个稳定的输出。这个过程中类似于IOC串上一个电阻，跟阻尼震荡一样，慢慢慢慢逼近5伏。

那么具体这方面大家参考下PID算法，D算法很少用到，但是I算法非常非常重要，因为自动控制里边特别强调的，以前都是用模拟运放搭的，比如一些积分电路，微分电路搭的。那今天来说用单片机之后，用模拟实现积分放大很少，但在开关电源中还是在大量使用。

下面讲一下，差分转单端。因为这个地方用的也是比较多的，典型的案例就是电子称。

电子称一般采用桥式的四个电阻取出来，之后把输入变成单端信号，就是电桥取样。那么我们可以看到这种电路如何分析呢。我们假设同相、反相输入信号为零，那么反相输入端R4接地为0，输出通过R5接地，也为零。输入输出都是零，就可以组成方程来解，输入和输出关系。那么就满足个平衡。

这里我们看到R1是2K，R2是100K，那么R2和R1之间的比例关系是50倍，R3是2K、R4是100K，那么看到同相端、反相端是对称的。那么R2和R1的比例关系决定了运放的放大倍数。比如说这个差分电路，同相输入1伏，反相输入-1伏的话，那么误差就是2伏了，那么R2和R1产生的放大倍数50倍，一乘起来就很大了。当然电压不可能超过Vcc电压（电源轨）。那这个就是电子称一类的差分电路。注意电阻必须对称。

上边这个电路图是非常有意思的。这个芯片运用于一些电力方面比如说我一个工作的电路板，参考电压是0—3.3伏附近就是工作低压，但是我采样的电压呢有可能工作在200-300伏上，那么200-300伏变成差分信号，比如说我们某一个电路上通过一个小电阻测量电流是多少，那采样部分的电压跟我控制部分的电压落差可能有100-200伏，那怎么办呢？

那么我们就可以通过上边的芯片AD629，内部把电阻都做进去了，它是专用的一个，可以抗很高共模的一个差分转单端的芯片，什么意思呢，你可以看到3脚输入，输入很高的电压通过380千欧姆和20千欧串联分压了，5脚一般接地，1脚也接地，380和20分压就是19:1了，也就是说190伏，经分压也就是10伏了，所以说3脚就可以接一些高压的地方。

那么同样的2脚经过一个380K欧与21.1K进行分压，那电压也就下来了，那么横向的380K（6引脚，输出上内部连的电阻）其实和21.1K是并连起来，因为默认情况下加入输入电压为0（同相反相），1脚也为0，6脚也0，5脚也0，恰好是个方程的解。1脚上电阻和6脚上电阻并联，它恰好是等于5脚上20K的电阻的，实现完全的对称，那么这个就转形成电子称电路图了。

那么这个芯片内部电路放大倍数是多少呢，因为信号进来电阻可以认为把信号分压了，分压成小电压了，比如2脚和3脚之间信号差分是1伏，但是通过分压，分压之后很小很小了，所以必须通过反馈接一个380K欧的电阻把这个信号再放大起来，最后实现这个芯片放大倍数为1，那就实现了抗共模取差模的功能。这个芯片还是不错的。

常用的二阶低通滤波器呢用的还是比较多的，比如PIM单片机想得到一个D/A信号，就是得到一个模拟量，一种方式用D/A转换来做，D/A转换之后，再加些运算放大。第二种方式就用PDM来实现，因为现在单片机都有PDM，DAC到不见得有，所以PDM之后呢，再通过上边电路的二阶滤波就可以得到一个比较好的模拟信号。

可以先看作一级RC

下边是二级RC

这样就得到2级的RC滤波，C1脚接到了输出端，输出端对交流来说它是虚短的，那么C1与输出接的脚完全等价于接地和C2是等价的。你可以认为R1与C1、R2与C2信号经过这两级滤波然后进入运放输出。二阶低通滤波用的是比较多的。

这个图是BTL电路，现在接触的人不多，但是以前是很多很多的。最典型的就是汽车上的功放，汽车上的功放用的就是BTL电路，它很适合于电瓶之类的单电源供电的音响场合。实际就是两路功率型的功放，10引脚信号经过功放，通过电阻桥接到1引脚在通过电容进入6引脚进入下方功放的反相输入，上边一路是正相输入，之后输出信号经过电容通过另外一个功放反相输入，当上路功放输出为同相端高的时候，到下边是反相端输入恰好2脚位低，实现了BTL也就是推挽输出。还有一个地方用的非常广泛，我们锂电池供电的手机、MP3很大程度上都是用的这种电路。

这种电路最大好处是没有输出电容，没有输出隔直电容，因为大功率输出有隔直电容针对外放来说是非常头疼的，比如说常用于手机上的芯片。

好这部分就讲到这里。

接下里我们快速浏览下LM358芯片手册

1、内部有频率补偿电容，也就是之前提到的相位补偿，就是下图中的Cc电容

2、大的直流电压增益，有100dB，100dB大概是100/20那就是5，10的5次方也就是100K，10万倍的放大。

3、宽带宽，1.1MHz（带有温度补偿）

4、非常低的供电电流（500uA），依赖于电压，不同电压下电流是不一样的。

5、低的输入偏置电流，10nA（带温度补偿）

6、低的失调电压，大概2mV，其实这个2mV是很大的了，所以说LM358只能用于普通场合

7、低的输入失调电流，2nA，这个值其实不算很大

8、输入共模电压范围，包括地（就是输入电压可以到地）

9、差分输入电压范围可以等值为电源电压，比如电源电压是20伏，那么差分的电压可以达到20伏

10、最大输出电压是从0伏到Vcc-1.5伏，之前见过这个电路里边Q5和Q6导通分别有0.5的压降，那么合起来就是1，加上100uA的恒流源它也有个压降，所以这就减掉了1.5，但实际上呢，一般的讲，比如说Vcc是10伏的话，输出一般不要超过5伏吧，是比较好的（如果是线性区的话）。如果不考虑线性区无所谓。之前讲过低电压的时候，虽然电压输出可以0伏，但是输出如果跟的是容性负载的话，0伏不是马上就能够到0的。之前讲过，比如说Q12完全导通，那就是0.3伏，0.3伏加上Q13的0.5伏压降，那么输出最低0.8伏，因为低于0.8伏的话，电流吸不走的，对于容性负载来说，电压就一直保留着。如果是电阻性负载的话那问题不太大，上边Q5、Q6关闭，电流没下来必然是0伏了，但是所有的东西必然带有电容特性，所以说为了加快它到0伏的话，一般输出端下拉一个几百到1K的电阻，让它快速的哪怕有容性的把电容的点给吸收掉，可以输出为0伏。

11、封装来说SO-8是最常见的，DIP8现在很少有人用了。

下图是极限参数

电压范围双电源+/-16伏，单电源32伏

输入电压范围-0.3到+32伏，现在任何一个芯片内部都有二极管保护，那么这个0.3其实就是二极管保护，输入电压低不能低于内部二极管导通，二极管就是为了保护一些静电啊，如果Non-invertinginput低于超过0.5伏，那么就会导致保护二极管会烧坏，所以说不能低于负0.3伏。

差分输入电压范围，可以全电源范围就是32伏

功耗500mW，因为SO-8封装体积非常小，功耗只能做到这么大，500mW其实手摸上去就已经发热了。这是最大，如果供电电压越高发热量就越大。

输出短路持续时间，无限大，因为内部有保护短路电阻

输入电流，50mA

接下来讲下应用，如下图是条件

这是供电5伏下测的特性，我们这里只看LM358

输入失调电压，典型值是2mV Vos

输入失调电流，2nA Ios

输入偏置电流，20nA Ib

增益放大，100K，

电源抑制比（SVR），当电源有纹波波动的时候，那么对输出是有影响的。条件是负载为10K欧情况下，这个值越高越好。

输入共模电压范围（Vcm），Vcc-1.5

共模抑制比（CMR），85dB。就是差模的放大倍数除以共模的放大倍数，之后取log，这个值越高越好。

输出电流（Isource），可以达到40mA

输出吸收的电流（Isink），可以达到20mA

输出电压的摆幅（Vopp），可以Vcc-1.5V

压摆率表示了芯片的频响特性，这个值越大，带宽值就越高。1uS电压可以达到0.6伏

带宽增益积（GBP），极限带宽1.1MHz

交越失真（THD）0.02%，这个值对HIFI音响来说是很重要的，比如我们一个正弦波，信号过来给芯片，输出不可能百分之百正弦波，那基频是正弦波，那么把三次、五次的叠加的信号能量和基频能量这个比例关系，其实就叫交越失真。

噪声（en），55nV/(根号Hz)，单位为什么是这样呢，因为噪声没办法在有一个频点有噪声，这是没法做的，没办法说某个频点上有多少噪声，只能说某个频带上有多少噪声。比如说1KHz到101Hz这区间内，有多少噪声的能量，我无法说幅度，因为这个幅度是随机波动的。

输入失调电压温漂（DVio），7uV/℃

输入失调电流温漂（DIIio），10pA/℃

Vo1/Vo2，这个是LM358是双通道的，120dB，这个值很少有人关心，可以认为是理想的

电压增益和频率之间的关系

频率和电压输出幅度之间的关系

输入信号和输出信号延时关系

输出电压和输出电流关系

到此本章内容结束！