集成运放应用分析（中篇） ---电压输出型DAC的运放使用

一、电压输出型DAC实际应用举例

假设现在要将MCU端的幅值在3.3V的PWM转换成对应占空比输出电压0-10V可调：

3.3V PWM 转 0-10V 模拟电压的DAC设计思路

设计目标分析：

• 输入：3.3V 逻辑电平的PWM信号，频率固定（例如10kHz），占空比（0% - 100%）可变。

• 输出：与PWM占空比成线性比例的0V至10V直流电压。

• 核心任务：1. 低通滤波（将PWM转换为平滑的直流电压）。 2. 放大与电平移位（将0-3.3V的范围变换到0-10V）。本例子不需要考虑电平移位。

两级设计思路：

第一级：无源或有源低通滤波（缓冲与初步滤波）

• 目的：将PWM方波转换为纹波较小的直流电压，并提供高输入阻抗，避免给MCU的PWM输出引脚带来负担。

• 电路选择：简单RC无源滤波 + 电压跟随器。

  • 一个简单的RC滤波器（例如R=10kΩ， C=10μF，截止频率 ~1.6Hz）可以滤除大部分高频分量。

  • 为什么加电压跟随器？ 根据戴维宁定理，当负载阻抗（Z_load）远高于滤波器的输出阻抗（R）时，负载对输出电压的影响很小，电压跌落可以忽略不计。

  • 反之，如果负载阻抗很低（与R可比或更低），负载会从滤波器吸取较大电流，导致输出电压下降（电压跌落），同时滤波器的截止频率也会因为负载阻抗而改变（因为负载阻抗与电容C并联，改变了滤波时间常数）

  • RC滤波器的输出阻抗等于电阻R（10kΩ），这在低阻抗负载下会导致电压跌落和滤波效果变差。加入一个单位增益的电压跟随器，利用其高输入阻抗、低输出阻抗的特性，可以完美地隔离RC网络和后级电路，保持滤波效果。

• 本级输出：一个比较平滑的 0 ~ 3.3V 直流电压（V_in_pwm * DutyCycle）。

第二级：同相放大器（执行核心的缩放与移位）

• 目的：将0-3.3V的输入线性地映射到0-10V的输出。

• 电路选择：同相运算放大器电路。这是最关键的一步。

• 设计计算：

  • 我们需要一个输出关系：V_out = A * V_in + B

  • 当 V_in = 0V 时， V_out = 0V => 0 = A * 0 + B => B = 0。

  • 当 V_in = 3.3V 时， V_out = 10V => 10 = A * 3.3 => A = 10 / 3.3 ≈ 3.03。

  • 同相放大倍数公式：A = 1 + Rf / R1 = 3.03

  • 因此，我们需要 Rf / R1 = 2.03。选择标准电阻值，例如 R1 = 10.0kΩ, Rf = 20.3kΩ（可以用20kΩ固定电阻和500Ω可调电阻串联，用于微调增益）。

• 为什么用同相不用反相放大器？

1. 高输入阻抗：同相放大器的高输入阻抗是第一级RC滤波器所需要的，可以保证滤波效果不因负载而改变。

2. 简单的正增益：我们需要一个 Gain = 3.03 的正增益来将0-3.3V映射到0-10V。如前面所讨论，用同相放大器实现 Vout = A * Vin 是最直接的方式。如果用反相放大器实现 Vout = -3.03 * Vin，还需要额外一级电路来反相，增加了复杂性和误差。

电源要求：
第二级运放的正电源电压必须高于10V，例如选择±12V或+15V的单电源运放，以确保输出能达到10V而不饱和。第一级运放如果使用同一芯片（双运放），则共享同一组电源。

完整信号链总结：
MCU_PWM -> RC滤波器 -> 电压跟随器（缓冲） -> 同相放大器（Gain≈3.03） -> 0-10V Output

优点 of this Approach:

• 高输入阻抗：第一级的缓冲器保护了MCU的PWM输出。

• 优秀的滤波：RC + 缓冲的方案提供了干净、稳定的直流电压。

• 线性度好：运放电路提供了良好的线性放大。

• 易于调整：通过调节Rf可以精确校准满量程10V输出。

• 成本效益高：通常一颗双运算放大器芯片（如TL082, LM358（注意LM358是单电源运放，输出无法完全到0V，需注意）或更精密的OPA2172）就能实现整个电路。

比较两种结构：

• 方案A（原方案）：PWM -> RC滤波 -> 电压跟随器 -> 同相放大器

1. RC滤波器的负载：电压跟随器具有极高的输入阻抗（>100MΩ）。这意味着RC滤波器（R=10kΩ）几乎是空载的。其滤波效果（截止频率 fc=1/(2πRC)）非常精确，不会因为后级负载而改变。滤波后的电压信号无衰减。

2. 同相放大器的输入：电压跟随器具有极低的输出阻抗（<100Ω）。这意味着它可以轻松地驱动后级同相放大器所需的输入电流，而不会引起信号压降。同相放大器从此获得了了一个“强壮”、“干净”的理想信号源。

3. 总结：此方案优先保证了信号调理的精度。

• 方案B（变换后）：PWM -> RC滤波 -> 同相放大器 -> 电压跟随器

1. RC滤波器的负载：RC滤波器直接连接到同相放大器的高输入阻抗上。这其实和方案A中跟随器的作用类似，滤波效果依然很好，信号无衰减。在这一步，方案A和B几乎没有区别。

2. 同相放大器的输出：同相放大器的输出阻抗本身已经较低（通常几十到几百欧姆）。但如果它需要驱动重负载（例如一个长的电缆、一个低阻抗的执行器、或多个并联的设备），其输出电流能力可能不足，导致输出电压下降（负载调节率差）。

3. 跟随器的作用：此时，在放大器后增加一个电压跟随器，是作为一个功率缓冲器（Buffer） 使用。它的低输出阻抗可以轻松提供更大的电流，确保在连接重负载时，输出电压也能稳定在预设值。

使用建议（不在乎成本的情况下）

• 如果后级负载是固定的、高阻抗的（例如，只连接到一个PLC的模拟输入端口，输入阻抗在100kΩ以上），那么方案A更优。它结构清晰，用最少的元件完成了信号调理和放大。同相放大器自身的输出能力足以驱动此类负载。

• 如果后级负载是变化的、或低阻抗的（例如，需要驱动一个500Ω的负载，或者需要连接多个设备），那么方案B更优，或者需要在方案A的基础上再在最后增加一个缓冲器。此时的跟随器主要目的是提供电流驱动能力，防止负载影响放大器的输出精度。

最终结论：原方案（A）是标准且通用的设计，优先保证了信号完整性。将跟随器放到最后（B）是一种针对高驱动需求场景的特定优化。在不确定负载情况时，最稳健的做法是采用“A+B”的组合：RC滤波 -> 跟随器 -> 同相放大器 -> 跟随器，用三个运放实现滤波、放大和驱动的全功能。