中微爱芯运放应用案例介绍
一、运放的常用用法运算放大器通常用作高增益、差分输入、单端输出电路，在模拟电路和信号处理系统中有多种用途。
最基本的用途是信号放大，可以将微弱的输入信号以一定的比例放大。无论是同相放大还是反相放大，都可以通过配置外部电阻来控制放大倍数。它在音频放大、传感器信号调理等领域都有应用。
运算放大器还可以执行信号运算功能，对多个输入信号执行加、减、乘、除等数学运算，或者积分和微分运算。
另外，运算放大器可以构建方波发生器，其基本原理是利用其高增益特性和正反馈和负反馈网络产生周期性的高低电平切换，从而输出方波信号。
以上是工程师看到的一些最常见的运算放大器设计应用。下面总结一下近期的一些客户应用场景。
二、运放的应用案例1、信号偏置与放大案例通过多级运算放大器可以实现电压偏置和放大。在应用案例中，需要将0V~5V的输入模拟信号转换为-10V~+10V的输出模拟信号。
相应的电路原理图如下：
图一、基于AiP072与AiP431A的信号偏置与放大电路首先通过一级同相求和运算电路将输入电压转换为VX=VI-2.5V，结合AiP431A电压基准，对应的一级运算放大器输出电压范围为- 2.5~2.5V。然后利用次级同相比例运算电路进一步转换，得到VO=4VI。此时，次级运放的输出电压范围为-10~+10V。
其中：R1=R2； R6=R1//R2; R5=3R4； R3=R5//R4
2、运放的驱动加强案例运放广泛应用于小信号处理领域，但其负载能力较弱（运放的驱动能力通常在几mA至20mA之间，短路电流一般不超过50mA）。因此，难以驱动继电器、LED灯、功率管、高阻耳机、电机、变压器等负载，无法满足长距离模拟传输的需要。如果应用场景需要数百mA至A级的驱动电流，现有的运放就无法适应，需要改进电路以满足数百mA甚至A级的驱动要求。
图二、运放驱动Q1其中：V+=V-=Vi，V+/R1=(Vo-V-)/R2，因此：Vo=(1+R2/R1)*Vi
通过上述方法，建立了输出电压与输入电压的关系，但输出电流值可以远大于运放的电流值，甚至高于专用功率运放的电流值。
3、运放电流检测案例电流检测解决方案主要分为两类：霍尔检测和电阻检测。霍尔电流检测的缺点是结构较大、成本较高。优点是具有电气隔离功能。如果应用场景不具备电气隔离，采用电阻采样的电流检测方式更适合；为了检测ADC（独立ADC芯片或集成ADC功能的MCU）与被检测设备之间的共地，我们常用的电流检测结构设计如下。
图三、低边电流检测这种结构广泛应用于反激式开关电源初级绕组的电流采集、低压小功率电机驱动器三相桥的低边电流采集等。优点是低边电流测量设计简单，只需一颗运放即可完成电流测量。
然而，该解决方案将在接地路径上串联一个采样电阻。数字电路或驱动电路的高低电平切换会导致电流动态变化。流入地的电流会在采样电阻上产生电压，该电压会以地平面噪声的形式叠加在系统地上。不仅会影响模拟部分的测量精度，还可能导致数字部分出现故障。因此，在对地平面噪声要求不高的系统中，低侧电流测量是最简单的解决方案；如果系统不能容忍地平面噪声，可以选择高侧电流测量（也称为电源侧采样），其抗共模干扰能力更强。高边电流采样原理如下图所示。
图四、电源侧电流采集中国微爱信AiP8199和AiP8280系列电流传感放大器专为电流传感解决方案而设计。它们具有超宽共模电压（AiP8199为30V，AiP8280为120V）、超低误差和高速响应等优点。它们可用于低侧电流收集和电源侧电流收集解决方案。
附1：AiP8199替代某X198方式某X198通过在输出端外接RL来调节放大倍数（需要高精度、低温漂电阻）。这种方案很容易因在负载上添加其他外部电阻而导致检测错误，因此工程师在设计时应特别小心。
将某台的Vout替换为Ti的INA138/INA136的方法类似。
输入端口增加的RC可以滤除差模和共模干扰。
图五、AiP8199应用外围
图六、某X198 应用外围附2：AiP8199可以与AiP8552构成仪表运放电流检测运算放大器可在前级增加2路精密运算放大器，制成仪表放大器。通过调节电阻可以灵活调节放大倍数。
图七、AiP8199可以与AiP8552构成仪表运放4、运放的二阶低通滤波RC滤波器是最典型的无源滤波器，但它有明显的缺陷：电阻和负载会形成分压器。负载电阻越大，输出电压越高；同时，滤波器带宽会随着负载特性而变化。
在无源滤波器和负载之间添加一阶跟随器可以防止输出电压受负载的影响，从而形成一阶有源低通滤波器。利用运放的放大特性，也可以放大输入信号的幅度。如果原来的幅频特性曲线不够陡峭，可以额外增加一组RC滤波器单元，构成二阶有源滤波器。
图八、二阶有源滤波器如果幅频曲线不够陡峭，可以引入正反馈，例如SallenKey滤波器。
根据项目过渡和带内波动设计要求选择具体的RC参数。详细的选择方法请参考书《运算放大器权威指南》第16章
5、运放的对数应用在模拟电路信号检测中，对于输入动态范围非常大的信号，为了覆盖信号的上下限而不降低性能，采用对数放大。
对数运放的核心特性是输出值不随输入线性增加，而是非线性增加。对于尺寸突然增大的信号，采用非线性检测方法压缩信号幅度，以适应宽动态范围要求。这类对数运算电路的核心原理是利用二极管、晶体管等电子器件固有的对数关系来实现的。
二极管的一个重要公式是：ID Is*eUd/Ut，它是对数关系。
其中：ID为正向电流，IS为反向饱和电流，UD：正向电压，UT为热电压（26mV）
但当二极管的电压小于导通电压时，电流和电压呈非指数关系。一般采用下图晶体管法进行设计，其输出与输入的关系为：Uo=-ube-ut*ln(uI/(IS*R))。
图九、三极管与AiP8551构成的对数放大
图十、三极管特性曲线目前还有其他应用方法，采用可编程运放、增益可调运放，或在运放反馈中采用类似模拟开关串接电阻来调整放大倍数，使信号经过不同幅度的运算放大后仍保持在幅度电压范围内。
三、总结运放的应用方式非常广泛和灵活。除上述介绍外，还有过零检测、窗口比较器、压频转换器、三角波发生器、脉冲发生器、恒流源等应用。
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