集成运算放大器的线性应用.ppt

第5章集成运算放大器的应用 end 第5章集成运算放大器的线性应用 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 分析运放组成的线性电路的出发点 虚接虚断放大倍数与负载无关 可以分开分析 第5章集成运算放大器的线性应用 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 InvertingAmplifier 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 实现将信号放大并进行运算的电路 称为运算电路 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 R I 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 例 R1 10k RF 20k ui 1V 求 uo RP应为多大 Auf RF R1 20 10 2uo Aufui 2 1 2VRP R1 RF 10 20 6 7k 反相比例运算电路举例 反相比例电路的特点 1 共模输入电压为0 因此对运放的共模抑制比要求低 2 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 1 由于并联负反馈的作用 输入电阻小 因此对输入电流有一定的要求 2 在放大倍数较大时 该电路结构不再适用 优点 缺点 输入电阻小 共模电压为0以及 虚地 是反相输入的特点 比例运算电路 3 2 同相比例运算电路 NoninvertingAmplifer 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 VoltageFollower 此电路是电压串联负反馈 输入电阻大 输出电阻小 在电路中作用与分离元件的射极输出器相同 但是电压跟随性能好 例题 Rf 10k RF 20k ui 1V 求 uo RP应为多大 uo Auui 3 1 3VRP Rf RF 10 20 6 7k 同相比例运算电路举例 同相比例电路的特点 1 共模输入电压为ui 因此对运放的共模抑制比要求高 1 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 2 由于串联负反馈的作用 输入电阻大 优点 缺点 比例运算电路 5 分析图示电路输出电压u0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 因为I 0 所以R2 R3串联 比例运算电路 6 end 分析图示电路输出电压u0与输入电压ui的关系 U i1 i2 虚接 虚断 虚断 比例运算电路综合举例 例3 求Auf R2 uO1 i1 i2 i3 i4 例 运放运算电路如图所示 导出的表达式 加 减运算电路 反相加法器同相加法器减法器加减器 实现将若干个输入信号之和或之差按比例放大的电路 称为加 减运算电路 加法与减法运算电路 1 反相加法器 SummingAmplifer 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 R I 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 反相加法器的特点 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 2 由于 虚地 的特点 调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻 不影响其他输入电压和输出电压的比例关系 调节方便 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 I 0 整理得 RP R1 R2 R3 同相加法器的特点 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 2 同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响 不能单独调整 加法与减法运算电路 4 3 由于存在共模电压 对输入电压及运放的共模抑制比要求较高 加法与减法运算电路 3 减法器 DifferenceAmplifer 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 end 若取R1 R2 R3 Rf则 差动放大器 加法与减法运算电路 6 例 R1 10k R2 20k ui1 1V ui2 1V 求 uo R2 加法与减法运算电路 7 加减器 多个输入信号同时加入反相端与同相端 例2 设计一个加减运算电路 选用的电阻在100 100K 使uo 10ui1 8ui2 20ui3 解 1 画电路 系数为负的信号从第二级反相端输入 系数为正的信号从第一级反相端输入 加法与减法运算举例 加法与减法运算举例 2 1 它们都引入电压负反馈 因此输出电阻都比较小 2 关于输入电阻 反相输入的输入电阻小 同相输入的输入电阻高 3 同相输入的共模电压高 反相输入的共模电压小 比例运算电路与加减运算电路小结 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 积分电路的主要用途 1 在电子开关中用于延迟 2 波形变换 例 将方波变为三角波 3 A D转换中 将电压量变为时间量 4 移相 积分与微分运算 2 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 R1分别为1k 和2k 输入为阶跃信号时 uo 2 设R1C 10mS 输入为矩形脉冲 uo 解 1 当R1 1k 时 则 当R1 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0 t t1时 ui 2V 2 当t1 t t2时 ui 2V 3 当t2 t t3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 Rf的作用 引入直流反馈 有效的抑制失调的影响 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 运算电路要求 1 熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式 2 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算 3 会用 虚断 ii 0 和 虚接 u u 分析给定运算电路的放大倍数 第5章集成运算放大器的线性应用 end 电压与电流的变换 1 电压 电流变换 Voltage to CurrentConverter 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 R3 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 VoltageConverter 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