运算放大器应用电路的设计与制作
13页1、 运算放大器应用电路的设计与制作(一) 运算放大器1.原理运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时,可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面,可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。运算放大器一般由4个部分组成,偏置电路,输入级,中间级,输出级。 图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示 图1是运算放大器的特性曲线,一般用到的只是曲线中的线性部分。如图2所示。U-对应的端子为“-”,当输入U-单独加于该端子时,输出电压与输入电压U-反相,故称它为反相输入端。U+对应的端子为“”,当输入U+单独由该端加入时,输出电压与U+同相,故称它为同相输入端。 输出:U0= A(U+-U-) ; A称为运算放大器的开环增益(开环电压放大倍数)。在实际运用经常将运放理想化,这是由于一般说来,运放的输入电阻很大,开环增益也很大,输出电阻很小,可以将之视为理想化的,这样就能得到:开环电压增益Aud=;输入阻抗ri=;输出阻抗ro=0;带宽fBW=;失调与漂移均为零等理想化参数。2.理想运放在线性应用时的两个重要特性
2、输出电压UO与输入电压之间满足关系式:UOAud(U+U),由于Aud=,而UO为有限值,因此,U+U0。即U+U,称为“虚短”。由于ri=,故流进运放两个输入端的电流可视为零,即IIB0,称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则,可简化运放电路的计算。3. 运算放大器的应用 (1)比例电路所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路,比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。(a) 反向比例电路 反向比例电路如图3所示,输入信号加入反相输入端: 图3反向比例电路电路图 对于理想运放,该电路的输出电压与输入电压之间的关系为:为了减小输入级偏置电流引起的运算误差,在同相输入端应接入平衡电阻RR1 / RF 。输出电压U0与输入电压Ui称比例关系,方向相反,改变比例系数,即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值。反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求。 (b) 同向比例电路 同向比例电路如图4所示,跟反向比例电路本质上差不多,除了同向接地的一段是反向输入端:图4 同相比例电路电路图 它的输出电压与输入电压之间的关系为
3、: ; RR1 / RF只要改变比例系数就能改变输出电压,且Ui与U0的方向相同,同向比例电路对集成运放的共模抑制比要求高。(c) 差动比例电路 差动比例电路如图5所示,输入信号分别加在反相输入端和同相输入端: 图5 差动比例电路电路图 其输入和输出的关系为:可以看出它实际完成的是:对输入两信号的差运算。(2)和/差电路(a)反相求和电路其电路图如图6所示(输入端的个数可根据需要进行调整): 图6 反相求和电路图其中电阻R满足:它的输出电压与输入电压的关系为: 它的特点与反相比例电路相同,可以十分方便的通过改变某一电路的输入电阻,来改变电路的比例关系,而不影响其它支路的比例关系。(b)同相求和电路 其电路如图7所示(输入端的个数可根据需要进行调整):图7 同向求和电路图它的输出电压与输入电压的关系为:它的调节不如反相求和电路,而且它的共模输入信号大,因此它的应用不很广泛。(c)和差电路其电路图如图8所示,此电路的功能是对Ui1、Ui2进行反相求和,对Ui3、Ui4进行同相求和,然后进行的叠加即得和差结果。图8 和差电路图它的输入输出电压的关系是:由于该电路用一只集成运放,它的电阻计算和
4、电路调整均不方便,因此我们常用二级集成运放组成和差电路。它的电路图如图9所示:图9 二级集成和差电路图它的输入输出电压的关系是: 它的后级对前级没有影响(采用理想的集成运放),它的计算十分方便。(3) 积分电路和微分电路(a)积分电路其电路图如图10所示:它是利用电容的充放电来实现积分运算,可实现积分运算及产生三角波形等。 图10 积分电路图它的输入、输出电压的关系为:其中: 表示电容两端的初始电压值.如果电路输入的电压波形是方形,则产生三角波形输出。(b)微分电路微分是积分的逆运算,它的输出电压与输入电压呈微分关系。电路如图11所示:图11 微分电路图它的输入、输出电压的关系为:(4) 对数和指数运算电路(a)对数运算电路对数运算电路就是是输出电压与输入电压呈对数函数。我们把反相比例电路中Rf用二极管或三级管代替级组成了对数运算电路。电路图如图12所示:图12 对数运算电路它的输入、输出电压的关系为(也可以用三级管代替二极管):(b)指数运算电路指数运算电路是对数运算的逆运算,将指数运算电路的二极管(三级管)与电阻R对换即可。电路图如13所示:图13 指数运算电路它的输入、输出电压的
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