集成运算放大器的线性应用.ppt

第五章 集成运算放大器的线性应用,5.1 运放线性应用的条件与特点,运放的传输特性,线性应用的条件,线性应用的特点,5.2 基本运算电路,反相比例运算电路,同相比例运算电路,二、加减运算电路,反相加法运算电路,同相加法运算电路,减法运算电路,运放电路分析举例,一、比例运算电路,第五章 集成运算放大器的线性应用,三、积分与微分运算电路,积分运算电路,微分运算电路,5.3 其他线性应用举例,二、限幅电路,一、电压与电流变换电路,end,运放线性应用的条件与特点（1）,运放的传输特性uo=f(ui),在图示运放电路中，有 uo=Aod(ui2-ui1)=Aodui,设电源电压为12V， 则运放最大输出电压 UOM=10V,设运放Aod=104，则其传输特性如图所示,-0.1,0.1,-10,10,线性区,非线性区,非线性区,结论：运放在开环状态下线性区很窄，只能工作在非线性区。,理想运放则无线性区,如何使运放工作在线性区呢？,降低电压放大倍数,如何降低电压放大倍数呢？,引入负反馈,结论：运放工作在线性区的条件是在电路中加入负反馈。,运放线性应用的条件与特点（2）,运放工作在线性状态下的两个特点,RF引入负反馈,设U+与U-为运放同相与反相端的电位 ，有 uo=Aod(U+-U-),即： U+-U-=uo/Aod,因为对于理想运放有Aod=，所以,U+=U-,虚接,I-,I+,I-,I+,设I+与I-为运放同相与反相端的输入电流 ，因为对于理想运放有rid=，所以,I+=I-=0,虚断,end,比例运算电路（1）,实现将输入信号按比例放大的电路，称为比例运算电路,反相比例运算,同相比例运算,-实现运算uo=-kui,-实现运算uo=+kui,1、反相比例运算电路(Inverting Amplifier),电路结构特点,Rf引入深度负反馈,该反馈为何种组态？,输入信号加入反相端,平衡电阻R=R1/Rf,比例运算电路（2）,参数计算,因为I-=0，所以 i1=if,即，,又因为U-=U+=RI+=0,所以，,即电压放大倍数,输入电阻,因为电路引入电压负反馈，输出电阻 ro=0,若输出端加负载，uo改变吗？,则实现运算：,虚地,i1,if,I-,比例运算电路（3）,2、同相比例运算电路(Noninverting Amplifer),电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信号加入同相端,平衡电阻R=R1/Rf,该反馈为何种组态？,i1,if,I-,参数计算,因为I-=0，所以 i1=if,即，,，又因为U-=U+=ui,所以，,即电压放大倍数,则实现运算：,比例运算电路（4）,i1,if,I-,输入电阻,因为电路引入电压负反馈， 输出电阻 ro=0,当Auf=1时，称为电压跟随器(Voltage Follower)。,比例运算电路（5）,分析图示电路输出电压uo与输入电压ui的关系,虚断,虚接,虚地,反相比例运算电路,比例运算电路（6）,分析图示电路输出电压uo与输入电压ui的关系,i1,if,I-,因为I-=0，所以 i1=if,即，,又因为U-=U+,所以，,则：,U+=？,I+,同相比例运算电路,因为I+=0，所以R2，R3串联,比例运算电路（7）,end,分析图示电路输出电压uo与输入电压ui的关系,U+=？,加法与减法运算电路（1）,反相加法器(Summing Amplifer),电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信号均加入反向端,平衡电阻R=R1/R2/R3/Rf,输入输出关系计算,因为I-=0，所以 i1+i2+i3=if,即，,又因为U-=U+=RI+=0,若取R1=R2=R3=R，则,则实现运算：,I-=0,加法与减法运算电路（2）,同相加法器,电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信号均加入同向端,输入输出关系计算,因为I+=0，所以 i1+i2+i3=0,即，,又因为在同相比例器中有，,则实现运算：,整理得，,RP=R1/R2/R3,I+=0,加法与减法运算电路（3）,减法器(Difference Amplifer),-输入信号同时加入反相端与同相端,ui1单独作用,=0,ui2单独作用,0=,所以，,若取R1=R2、 R3=Rf则,加减器,加法与减法运算电路（4）,-反相加法器与同相加法器的组合,运放电路分析举例(1),例1 电路如图所示，R1=R2=R3=R4，试求 的值。,ui1,+,+,-,u0,ui2,+,+,-,R1,R2,R3,R4,a,b,解：,由虚接可得,由虚断可得,运放电路分析举例(2),例2 试用理想运放设计一个能实现uo=3ui1+0.5ui2-4ui3运算电路。,方法一：,用三只运放分别实现uo1=-3ui1,uo2=-0.5ui2,uo3=4ui3,解：,然后再用一只运放进行反相输入的加法运算，使uo=-(uo1+uo2+uo3).,uo=3ui1+0.5ui2-4ui3,运放电路分析举例(3),运放电路分析举例(4),方法二：,用一只运放构成加减器实现运算,ui3单独作用时,uo=3ui1+0.5ui2-4ui3,ui2单独作用时,ui1单独作用时,end,积分与微分运算（1）,1、积分运算电路(Integrator),-电容C引入深度负反馈,i1,ic,I-,在图示电路中，因为I-=0，所以 i1=ic,又因为U-=0，所以,uc,则,，对该式积分，有：,若设电容上电压初始值为uc(0)，则,积分与微分运算（2）,例：设积分电路中，uc(0)=0，运放输出U0M=10V。试求： （1）当C=1uF，R分别为1k和2 k，输入为阶跃信号时，uo=? （2）设RC=10mS，输入为矩形脉冲，uo=?,解：（1）当R=1k时，,则，,当R=2k时，同理有,结论：RC的大小决定积分的速度，称为时间常数,积分与微分运算（3）,当输入为图示矩形脉冲时,可由公式进行分段积分如下：,（1）当0tt1时，ui=-2V,（2）当t1tt2时，ui=2V,（3）当t2tt3时，ui=-2V，同理有,积分与微分运算（4）,实际积分电路中存在积分漂移现象,-积分电路对集成运放中的失调与漂移同样进行积分，使输出达到饱和的现象。,尽可能选用失调与漂移小的运放,在积分电容两端并接电阻Rf,积分与微分运算（5）,2、微分运算电路(Differentiator),i1,ic,I-,uc,在图示电路中，因为I-=0，所以 i1=ic,又因为U-=0，所以,则,微分电路输出只与电路输入变化率有关,end,电压与电流的变换（1）,电压/电流变换(Voltage-to-Current Converter),-将电压信号变换为电流信号,因为U-=U+=ui，iL=i1，所以：,iL=ui/R1,即该电路可将电压信号ui转变为电流信号iL输出,电路特点：适用于负载不需要接地的场合,电压测量：将RL换为一个表头，可测量电压。,由于运放入端电流接近零、输出电流与表头内阻无关，故测量精度很高。,电压与电流的变换（2）,电路特点：适用于负载需要接地的场合,输出电流iL分析,u0,设输出电压为u0，则由叠加原理，反相输入端电位U-为,由KCL有，iL=i3-i2，则：,因为U+=U-，并设Rf/R1=R3/R2，整理得：,iL=-ui/R2,即该电路可将电压信号ui转变为电流信号iL输出,电压与电流的变换（3）,电流/电压变换(Current-to-Voltage Converter),-将电流信号变换为电压信号,因为I-=0，所以：,ii=if,uo=-Rfii,又因为U-=U+=0，所以：,即该电路可将电流信号ii转变为电压信号uo输出,电阻测量：将Rf换为被测电阻RX，可测量电阻。,end,限幅电路（1）,限幅电路（又称钳位电路）,-当输入信号在一定范围内变化时，输出跟随变化；当输入信号变化超出范围后，输出保持恒定。,-UZ,定义：使输出