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请教：运放的保护与输出 |
| 作者：小研究 栏目：模拟技术 |
各位大侠，小弟用运放不太多，经验不足，请高手给点指点。如下图，利用带磁棒的电感来感应信号，用OP2177搭成差分电路（为了防止现场的共模噪声干扰）来接受此信号，通常这信号是比较弱的，但是有时候50HZ的共频信号会很强，特别是现场有大的冲击时，电感感应出来的电动势也会很大，甚至有可能超过3.3V（运放电源电压）。此种情况下，应该注意怎么保护运放呢？小弟只是加了两个普通二极管来限制输入电压差，那么还应该注意些其他方面的保护呢？ 另外，如果保护可以确保运放安全的话，如果输入信号过大，那运放输出的信号是不是就是削平峰谷的正弦波了呢？ 先谢谢了。
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| 2楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/15 14:25:00 发布：
自己顶 OP1117、2177是ADI的低噪声的精密运放，因为有效信号夹杂在工频量中比较弱，所以才选中此运放。 小弟又思考了一下，是不是该把两个保护二极管放在10K精密电阻左边呢？如果是的话，这两个保护二极管还需要串联放电电阻吗？ 谢谢 |
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| 3楼： | >>参与讨论 |
| 作者： tuwen 于 2007/1/15 16:21:00 发布：
最好将R7、R8一分为二，两个二极管移到当中。 磁棒受到的干扰主要是磁场干扰。可以调整磁棒与干扰源之间的相对位置，使之尽量与干扰磁力线垂直。 “如果输入信号过大，那运放输出的信号是不是就是削平峰谷的正弦波了呢？” 是的。输出波形会接近方波。 |
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| 4楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/16 8:12:00 发布：
感谢tuwen兄的建议 感谢tuwen兄的建议。 您把电阻分开的建议小弟也考虑过，但我担心这样做会减低电阻的精度，毕竟差分电路对对称性要求很高。而且如果50HZ的工频信号很强的话，有可能超过有效信号的强度1000倍以上（当然频率不同，后面用模拟和数字滤波过滤信号），分开电阻的话精度就会降至千分之一以下。是不是我多虑了？ 另外，为了确保运放的输出，是不是应该在其输出端上加上两个稳压管呢？比如用两个2V的稳压管将输出电压限制在-2~+2V？ 谢谢。 |
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| 5楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/16 12:02:00 发布：
楼上的别这么无聊，俺等着救命呢 |
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| 6楼： | >>参与讨论 |
| 作者： xwj 于 2007/1/16 12:26:00 发布：
R7/R8不影响差分精度，只影响增益 而且估计还没有L1的影响大 |
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| 7楼： | >>参与讨论 |
| 作者： computer00 于 2007/1/16 13:10:00 发布：
信号频率多少?最好考虑前面滤波一下 工频信号干扰大的话，可能会导致你后面的运放饱和了，那就没办法工作了。 |
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| 8楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/16 14:06:00 发布：
computer00,俺就喜欢您来凑热闹 哈哈，有效信号和工频信号频带相距不太远，而且强度相差很大，模拟滤波效果不理想，这才用到后面的数字滤波。 如果前面也考虑用模拟的方式过滤一下的话，那就只能用电感和电容搞谐振了（其他模拟滤波除非是无源滤波，否则运放将改变差分接受的模式，那么接受电路中就有可能夹杂共摸噪声），其实这是最理想的接受方式：既可以毫无遗漏的接受信号，又可以同时放大有效信号。但是由于频率较低，所需电容会比较大，又是无极性的，再加上精度高，小弟担心这样的电容可能找不到。具体点小弟计算过：大概1~10个uF,同时还得要求电感作到较高精度的一致性，这样难度是否比较大？ 小弟正是考虑到工频信号有可能使运放饱和，所以才想使得该运放能在工频信号过强时仍保持线性（不影响有效信号的接受与放大），此时输出应该仍然是周期性（周期为50HZ，包含50HZ各次谐波组成的类似方波的削平波形）的，这样才想起加种种保护，所以还请老兄多指教：保护运放，不让它饱和。 |
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| 9楼： | >>参与讨论 |
| 作者： computer00 于 2007/1/16 14:35:00 发布：
这样的保护电路，只能起保护作用而已，而不能保留信号 一旦输入干扰信号使保护二极管导通了，那么输入信号在附近再怎么变化，电压也维持不变了。所以要保留有用信号,又要去掉干扰信号，只能是滤波,用限幅的方法是不能保留有用信号的。 干扰信号那么大(3.3V),那么运放必然会饱和,并且远在二极管起作用之前就饱和了.因为运放饱和前,同向和反向输入端的电压差依然还保持在0V. 如果干扰信号一直这么大，这个电路是没办法测量到叠加在里面的小信号的。 |
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| 10楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/16 15:45:00 发布：
兄台言之有理 那么我所说的谐振的方法能行的通吗？也就是说在现实中能找到无极性的、大概1~10个uF且较高精度的电容呢？ |
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| 11楼： | >>参与讨论 |
| 作者： computer00 于 2007/1/16 15:57:00 发布：
高精度,高稳定性的电容不容易找. 为什么要感应这样一个信号呢?就是说，被感应的信号是怎么来的?能不能在被感应的信号上想想办法?例如想办法避开工频干扰，如提高频率或者增加调制等。 |
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| 12楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/16 18:15:00 发布：
这信号是既定的 这信号是既定的，220HZ，据说再高了会在线路中的对地电容衰减过快。至于调制不太可能，这信号就是直接注入的。我的任务是设计产品从工频信号中接受这个信号。关于这点已经跟老板讨论过多次了，现在怕的就是运放饱和阻塞电路。 |
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| 13楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 赤铸 于 2007/1/16 21:47:00 发布：
如果干扰比信号强很多 就应该先滤波再放大 至少是先“稍微”放大，滤波，再进一步放大 总之不能让放大器饱和 保护二极管可以像tuwen说的，插在两个电阻之间，这是规矩的做法 也可以直接并联在线圈两端，因为线圈自身的内阻应该也不小 |
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| 14楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/17 8:14:00 发布：
滤波有难度 因为先滤波的话只能用无源滤波（有源滤波同样会有饱和的问题），这样的话只能用纯RC来搭配电路，而且跟负载的阻抗也就是差分电路的输入阻抗有关，这样除了要注意差分电路的输入阻抗也就是R7、R8要尽量选的大些之外，还要考虑RC电路中的容值跟前面的电感在某个未知的频率谐振。 小弟正在做这方面的尝试，希望各位高手提点。 |
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| 15楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/17 8:20:00 发布：
另外问个直接的问题 各位高手，问个比较直接的问题：假如此差分电路没有放大，也就是说R9/R7=R10/R8=1，运放的电源是3.3，那么允许加在R7、R8左侧，也就是说电感的电动势能有多大呢？当超过一个什么样的值时，运放就不能保持线性工作了？这个值跟运放中的什么指标有关？跟电路的放大倍数有关吗？ OP1117/2177的PDF资料比较大，无法上传，还望热心的朋友如果用到可到网上查看。 谢谢。 |
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| 16楼： | >>参与讨论 |
| 作者： computer00 于 2007/1/17 12:13:00 发布：
主要看输出电压是否太高 如果是轨到轨的运放，输出电压可以很接近电源电压. 前面可以考虑加50Hz限波器试试. |
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| 17楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/17 14:35:00 发布：
再弱弱的问一下 再弱弱的问一下，如果输入端电压过大，使得同向和反向输入端的电压差不再为0，那么此时的损坏是永久性的吗？当输入减小至正常时，运放还能恢复工作吗？ |
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| 18楼： | >>参与讨论 |
| 作者： computer00 于 2007/1/17 15:01:00 发布：
看datasheet,里面应该有两个输入端能承受的最大电压差. |
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| 19楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/17 16:29:00 发布：
再次请教 我曾经注意过资料上的这个参数，我把那一页单独摘下来弄成了PDF传了上来，老兄可以帮忙看看。小弟没弄错的话应该是其中的Differential Input Voltage. 但是我们分析运放时都是按两个正负输入端电压差为0，那么怎么根据此值来分析电阻左侧的输入极限呢？ |
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| 20楼： | >>参与讨论 |
| 作者： computer00 于 2007/1/17 17:07:00 发布：
两个输入端之间的电压差为0,那是指运放未饱和时 设开环增益为Go,由于Go通常都很大，例如是10000,那么,在输出未饱和时,假设输出电压为2V,那么差分电压为2/10000=0.2mV. 由于差分电压很小，所以认为它为0. 但是如果运放饱和了，那就不一样了.由于运放饱和了，所以输出电压不能再变化，因而反馈量不够，从而导致差分电压增大.例如,增大到3V.这时按照开环增益来计算，应该要输出30000V,但是由于运放的电源电压有限,因而运放饱和. 如果输入电压很小，不至于运放饱和时,可以认为两个差分端的电压为0,从而不需要保护。 但是如果输入电压很大，导致运放饱和，从而不能维持两个差分端的压差很小时,就需要保护了。 从你贴的这个pdf来看，差分电压的最大值为±电源电压，因而差分电压最大可到±3.3V。 但是通常为了安全起见,都是限制它比这个小.用二极管箝位,可以保证两者的差模电压小于±0.7V。但是共模电压有可能会超出电源电压，因而还需要共模保护。由于前面有大电阻，运放内部应该也有到电源的箝位二极管，省略掉可能也问题不大。但很多实际的电路宁愿外面再加保护。 |
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| 21楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/18 9:56:00 发布：
看看我设计的R/C滤波 computer00兄分析的很到位，21IC有老兄此等热心之大牛，真乃我等之福，21IC之福。 再看看我用纯RC搭配的前置模拟滤波，如下图，各位兄台给审查审查，看看小弟的分析是否正确。 相比原图，前面加了两个电容，一个电阻，构成两级模拟滤波（一级模拟滤波效果太差），但是纯RC滤波很难分析，因为输出输入阻抗会前后影响频率特性。小弟近似分析一下： C1、R11构成第一级高通滤波，截止频率为fL=1/2*PI*R11*C1=1/（2*PI*7000*10^（-7））=227,C2和运放前的两个电阻R7、R8（假设等效为RL）构成第二级模拟滤波，截止频率为1/（2*PI*RL*1.4*10^(-9)）=227,前后截止频率相当，但是后一级的阻抗相对前一级很大，所以分析第一级时可以认为第二级开路，这样这两级滤波可以认为直接相乘，从而整个电路的特性成了2阶高通电路，幅频特性为1/（1+（fL/f）^2），这样50HZ的工频信号在进入运放之前已经被衰减20倍。 另外，还得考虑可能的谐振，忽略后一级的电容，谐振频率应为1/2*PI*根号（L*C），假定L为50~100mh，谐振频率应该在2000左右，应该不会对电路造成影响。 不知道小弟是否想的太理想了，还请高手指点。 谢谢
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| 22楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 尤新亮 于 2007/1/18 10:23:00 发布：
看看楼主设计的R/C滤波 但就具体电路而言， 1.在保护二极管未导通的小信号下，由C2处向右看过去的差分阻抗，还要加上R10。 2.估计谐振不能实际发生，因为回路Q值可能很低。 3.应该补充考虑信号源的等效模型。 * - 本贴最后修改时间：2007-1-18 16:17:44 修改者：尤新亮 |
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| 23楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/18 11:02:00 发布：
回新亮兄 新亮兄， 1。差分比例放大电路的输入阻抗不就是2R7吗？ 2。你说的对，谐振的确意义不大，因为Q值的确很小，应该不足0.1。 3。你的第三条是说应该考虑电感的内阻？此内阻应该只对谐振有影响吧？对滤波频率特性有影响吗？ |
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| 24楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/18 15:46:00 发布：
来个大牛给拍板 在线等。。。 |
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| 25楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 尤新亮 于 2007/1/18 16:29:00 发布：
给方案提点建议 1.C1宜与L1直接并联，形成高Q串联谐振； 2.不必强成“差分”； 3.最终可能不是负端输入运放； 4.问：关注频率还是脉宽？或是否允许有用信号失真？ |
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| 26楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/18 16:59:00 发布：
回新亮兄:给方案提点建议 1。这个问题已经讨论过了，谐振我也想搞，但是谐振频率很低（220HZ），这样需要的电容条件非常苛刻：容值很大，大约1uf~10UF，无级性，而且需要较高精度，据说这种电容很难弄到。而且还会对电感形成要求：批次的电感必须具有一致性且较高精度。 2。为什么不必强成差分？差分不是可以很好的消除共模噪声吗？因为有效信号很小，我想利用差分接受来消除噪声。 3。不太理解您的深意。。。 4。关注频率，信号失真应该无所谓，只要保证频率。关于此我昨天用MATLAB做了个仿真，其实在输出削平峰谷的情况下，220HZ的有效信号仍然可以提取出来的，可以这样理解：220HZ的信号本身是不可能导致饱和的，由于频率大于50HZ，有效信号其实大部分并会受到削弱，削平后的波形可以看做是50HZ及其各次高次谐波再加上220HZ信号的组合，如果后面再加上数字滤波，是可以提取出220HZ的信号的，但是幅值受到了影响。比如假设220信号幅度为1，50HZ基次谐波为10，削平电压为5V的话，经过数字滤波后提取出来的有效信号强度大约为0.5。不知道您是否也是说的这一点？ |
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| 27楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/18 17:35:00 发布：
关于谐振，小弟曾经计算过 220HZ的谐振频率，即使做1H的大电感的话，也需要电容0.523uf，而且肯定是无级性的，还需要精度，估计不容易找。小弟曾经考虑过可调电容来避免电感和电容的高精度，但是据说可调电容都是nf、pf级的。 基于以上种种考虑，小弟才设计了21楼的滤波电路图。 |
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| 28楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 尤新亮 于 2007/1/18 19:15:00 发布：
“谐振”最有希望满足选频要求 所以要竭尽全力： 1.低电压微法级电容可有F级精度选用； 2.可用开关调节或工艺选调配谐； 3.必要时用不同类型电容补偿； 4.电感精度不太困难，也容易调整； 5.可能出现的共模干扰幅度不大类型不同易于排除，不必“差分”； 6.21图貌似差分，抗共模干扰差； 7.采用单端信号，运放正端高阻输入方式。 |
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| 29楼： | >>参与讨论 |
| 作者： chunyang 于 2007/1/18 19:22:00 发布：
如果你的有用信号接近50HZ，那加滤波的难度极大，这条路不可行 不妨看看50HZ成品陷波器的带宽能否满足你的要求即你的信号是否落在陷波器带外，这么低频率的高Q滤波器基本上很难实现。 保护的话，直接在电感两端并联两个反接的二极管即可，如果有用信号幅值较低，可选用肖特基管，必要时再对正负电源用肖特基管做信号钳位，不过如非长线不是必要。 如果你的信号落在陷波器带内但与其阻抗峰值还有一定距离的话，可用多级陷波器，输入用一个，用低噪运放做缓冲放大（倍数不要过高，防止冲击饱和）后再“陷”一次，量化后做数字滤波。 如果你的信号与50Hz过于接近，陷波器都会滤掉你的信号的话，很遗憾，除了良好算法的数字滤波外，就没有别的简单办法了，只能靠钳制信号幅值防止饱和了。 不过——对付工频干扰还有个绝招，不在电路上下功夫，你的电路结构也不适用，要换个思维方式：用两个同样的传感器（你的那个什么电感），一个用于拾取有用信号，一个只用于拾取工频干扰，二者信号反向叠加后即可将干扰大部抵消，注意选择合适的安装位置并采用定向加屏蔽应可找到解决的方法。 |
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| 30楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小研究 于 2007/1/19 8:33:00 发布：
上面的两位高手似乎误解了我的意思 两位大侠的精辟论述让小弟受益非浅，但是似乎误解了小弟的意思。 数字滤波在后面肯定要用的，而且程序都设计好了，小弟并不是想通过模拟滤波直接就把50HZ工频信号完全干掉，而只是想通过前置的模拟滤波“稍微”过滤一下50HZ信号，目的只是不让运放饱和，从而完整的把有效信号接受出来，有效信号稍微受些影响也可以，只要损失不大，衰减倍数与50HZ工频信号的衰减倍数不在同一程度。通过模拟滤波之后（进入差分接受之前）50HZ信号完全还可以几十倍强于有效信号，因为后面还有用DSP设计的数字滤波。附图是小弟用MATLAB设计并用16位定点DSP截取之后的频带响应，1代表采样频率（4400）的一半。如此狭窄的带通，即使进入DSP的50HZ工频量仍然强于有效信号几十倍，仍然可以很好的过滤掉。这是数字滤波的强项，也是小弟吃饭的家伙。 所以小弟现在关心的是21楼的模拟滤波是否行的通，小弟的分析是此模拟滤波能衰减20倍的工频量，有效信号大约衰减一半。我所担心的是21楼的分析过于理想，或者还有没有考虑到位的地方。我自己在模拟技术方面有几斤几两，我还是有数的，所以才来求助各位高手。 新亮兄所说的该设计貌似差分，抗共模干扰差，我不太理解，难道这不是差分电路么？为什么抗共模干扰差？
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| 31楼： | >>参与讨论 |
| 作者： chunyang 于 2007/1/19 10:33:00 发布：
误解并不存在 关键是你的信号频谱 |
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