模拟电子线路(模电)运放运算电路（课堂PPT）

1、 集成运放运算电路1 比例运算电路2 加法与减法电路3 积分与微分电路4 对数与指数电路5 基本应用电路一一. 比例运算电路比例运算电路1. 反相比例运算电路反相比例运算电路IFoFoIuRRuuuRuuRuu110“虚短虚短”与与“虚虚断断”IoFuuRR时当1倒相器倒相器2. 同相比例运算电路同相比例运算电路11111:)1 (0RRuuuRRuuuuuRRRuiiFIoIFoIoF或“虚短虚短”与与“虚断虚断”IoFuuRR10:或当电压跟随器电压跟随器例例 在图示电路中，已知R1=100k， Rf=200k ，ui=1V，求输出电压uo，并说明输入级的作用。ui +R2 +uoRfR1

2、uo1解解 输入 级为电 压跟随 器， 由于是 电压串 联负反 馈， 因而具 有 极 高 的 输 入 电 阻 ， 起 到 减 轻 信 号 源 负 担 的 作 用 。 且V 1o1iuu，作为第二级的输入。第二级为反相输入比例运算电路，因而其输出电压为：(V) 21100200o11ouRRuf例例 在图示电路中，已知R1=100k， Rf=200k ， R2=100k， R3=200k ， ui=1V，求输出电压uo。R2 +uoRfR1uiR3解解 根据虚断，由图可得：ifuRRRuuRRRu323o11R2 +uoRfR1uiR3又根据虚短，有： uu所以：ifuRRRuRRR323o11

3、ifuRRRRRu3231o1可见图 4-6 所示电路也是一种同相输入比例运算电路。代入数据得：(V) 212001002001002001ou1.加法电路加法电路(1)反相加法器反相加法器方法一：方法一：“虚短虚短”+ “+ “虚断虚断”二. 加法和减法电路33221133221132100uRRuRRuRRuRuRuRuRuuuiiiiiFFFoFoF方法二方法二：叠加定理叠加定理332211uRRuRRuRRuFFFo)(321321uuuRRuRRRRFo当uRRuFo11由同相比例运算电路得：由同相比例运算电路得：由由“虚断虚断”得：得：332211RuRuuRuuRuu332211

4、uRRuRRuRRuPPP321RRRRRP其中33221111uRRuRRuRRRRuPPPFo（2）同相加法电路）同相加法电路（二）减法器（二）减法器1、利用加法器、利用加法器ui2-ui1 = ui2+(-ui1)(i22fi11fuRRuRRuo倒相器（倒相器（-1）i11fi22fi22fi11f)(uRRuRRuRRuRRuo叠加定理叠加定理（二）减法器（二）减法器2、差动减法器、差动减法器 ui1作用i11f1uRRuo ui2作用i221f2)1 (uRRRRRuo 综合：综合：i221fi11f)1 (uRRRRRuRRuo)()(i1i21fi2i11fuuRRuuRRuo

5、21fRRRR若 例例 设计运算电路。要求实现y=2X1+5X2+X3的运算。 解解:电路模式为Uo=2Ui1+5Ui2+Ui3，是三个输入信号的加法运算。各个系数由反馈电阻Rf与各输入信号的输入电阻的比例关系所决定。由于式中各系数都是正值，而反相加法器的系数都是负值，因此需加一级变号运算电路。 Uo1R1R2R3Rf1Ui1Ui2Ui3R1 R1R2R3Rf1R4Rf2Uo R2 R4Rf242331221111142331221111)(RRURRURRURRURRUURRURRURRUfifififofoifififoi输出电压和输入电压的关系如下： Rf1/R1=2、Rf1/R2=5、

6、Rf11/R3=1取Rf1=Rf2=R4=10k，则R1 5 k ， R2 2 k ， R3= 1 0 k ，R1=R1R2R3Rf1，R2=R4Rf2=Rf2/2。 例例 设计一个加减法运算电路，使其实现数学运算， Y=X1+2X2-5X3-X4。 Uo1R1R2Rf1Ui1Ui2R1 R1R2Rf1Rf2Rf2Uo R2 R3R4R3Ui3R4Ui42Rf2 加减法运算电路 解解 此题的电路模式应为Uo=Ui1+2Ui2-5Ui3-Ui4，利用两个反相加法器可以实现加减法运算。 4423322211114423321222211111ififififififoffoififoURRURRU

7、RRURRURRURRURRUURRURRU 如果取Rf1=Rf2=10k，则R110k，R25k，R32k，R410k，R1=R1R2Rf1、R2 =R3R4Rf2/2。 由于两级电路都是反相输入运算电路，故不存在共模误差。 例例：电路如，求输出电压 Uo。 112315 . 0iioUURRU解：22ioUU7654/RRRR又2126514555 . 2iioooUUURRURRU所以1. 积分运算电路积分运算电路积分运算电路三三. 积分和微分电路积分和微分电路，于是根据虚地有Ruii tuRCtiCuud1d1iCCO当输入信号是阶跃直流电压UI时，即tRCUtuRCuuIiCOd1例

8、例: :画出在给定输入波形作用画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。下积分器的输出波形。(a) 阶跃输入信号(b)方波输入信号tuRCud1iO 由上式可以看出，当输入电压固定时， 由集成运放构成的积分电路，在电容充电过程（即积分过程）中，输出电压（即电容两端电压）随时间作线性增长， 增长速度均匀。 而简单的RC积分电路所能实现的则是电容两端电压随时间按指数规律增长， 只在很小范围内可近似为线性关系。从这一点来看， 集成运放构成的积分器实现了接近理想的积分运算。 解: ttCRUuIo5010110201631当uo=Uom=-15V时， st3 . 05015 计算结果表明，积分运算电路

9、的输出电压受到运放最大输出电压Uom的限制。当uo达到Uom后就不再增长。 例: 积分电路， R1=20 k，C=1F，ui为一正向阶跃电压, ui=0, t0时时 vO 0 D1 、D2 vO=0 vI 0 D1 、D2 vO= -(-(R2 / R1) )vI工作原理：工作原理：vOvI- -R2 / R1传输特性传输特性vItvOtvIR2R1- -输入正弦波输入正弦波输出半波输出半波 精密整流电路，一个周期内输出电压半周为0，半周与输入电压成比例。 设集成运放开环增益Ad为50万倍，二极管导通电压为0.7 V，则VD1导通时运放的差模输入电压为 ud = u- - u+ = 上式说明，

10、 折算到运放输入端，仅1.4V就可使二极管VD1导通。同理，使VD2 导通的电压也降到这个数量级。显然， 这样的精密整流电路可对微弱输入信号电压进行整流。 uVVAuAuudodo4 . 110507 . 0411q 精密转折点电路精密转折点电路 当当v- - 0，即，即 vI -(-(R3 / R1) )VR 时：时： 当当v- - 0，即，即 vI 0 D1 、D2 传输特性传输特性vOvI- -R2 / R3VRR3R1- -vO 0 D1 、D2 vO=0 则则)(R13I32OVRRvRRv则则q 精密转折点电路实现非线性的函数精密转折点电路实现非线性的函数 R/R1vo1-+A1V

11、R1Rr1RD1D2R1vIvo2-+A2VR2Rr2RD3D4R2RR-+A3VR3Rr3RD5D6R3Rvo3-+A4vOR)(R11r1I1O1VRRvRRv)(R22r2I2O2VRRvRRv)(R33r3I3O3VRRvRRv)(O3O2O1O3vvvvR/R2R/R3vOvIvI1vI2vI3传输特性传输特性二、电压和电流转换电路二、电压和电流转换电路1 1、电流、电流- -电压变换器电压变换器2 2、电压、电压- -电流变换器电流变换器电压电压- -电流电流和和电流电流- -电压电压变换器广泛应用于变换器广泛应用于放大电路和传感器的连接处，是很有用的放大电路和传感器的连接处，是很

12、有用的电子电路。电子电路。1 、电流、电流-电压变换器（电压变换器（ I/U ）fSO=Riu输出端的负载电流输出端的负载电流SLfLfSLOO=iRRRRiRui此时该电路也可视为电流放大电路。若LR固定，则输出电流与输入电流成比例，2 2、 电压电压- -电流变换器电流变换器（ U / I ）SO1uRi (a)负载不接地(b)负载接地)(L12L433S12ORRRRRRRuRRi讨论：1. 当分母为零时， iO ，电路自激。2. 当R2 /R1 =R3 /R4时, 则S4O1uRi 由运放组成的晶体管测量电路如下图，假设运放具有理想特性，晶体管的VBE=0.7V.(1) 求出晶体管c、

13、b、e各极的电位；(2) 若电压表读数为200mV，求被测量晶体管的值。+A1A26k10kv1R2cebR310kR1v2(+6V)(+12V)V电压表(1) vC = 6V vB = 0V vE = 0.7V(2)A2010200mV2002BRImA166121C1CRvvI50 BCII故 下图电路中， A1、A2 、A3均为理想运放101fRR, R3C =1ms. vi1=0.1V, vi2=0.3V为直流输入电压，在 t = 0时加入。(1) 求vo1，vo2，vo3；(2) 若t=0时电容上C上的初始电压uC(o)=0，问需经多久时间使uo4=5V？+R2R3R1vo4+R1R

14、2RfRfR1R3RRRfvo2vi1vi2vo1vo3CR2V1101 i1f1ovRRv(1)(2)V533oo4tCRvvV2)(2o221o22o3vRRvRRvV3i21fo2vRRv512tms5 . 2t 下图中A为理想运放，求vi=0.3V时v0的值。 v+ = v =0.2VV4 . 0)1(12MvRRv04. 002. 002. 0204 . 0102 . 04 . 0R4R23MoiiRvv vo= vM +0.04 R3 = 0.4+0.0410 = 0.8V+R2voiR210k20kR4iR4R1R5R610k20k0.3VviR310k10KM 下图所示电路中，

15、假设各运放具有理想特性。(1) 指出A1、A2、A3各组成什么电路；(2) 写出v01、v02、v03的表达式。+R3+A3A2A110kvivo310kR4R510k10kR1R210kvo2vo1 (1) A1：电压跟随器；A2：反相求和电路；A3：同相比例放大器。(2) vo1 = viii13o123o22)(vvRRvRRvio254o34)1(vvRRv例例5 求下图所示电路的电压放大倍数21oiivvv设A1、A2都是理想运算放大器。+10k+A1A210k100k100k10k10k100kvi1vi2vovo1对于对于2:A1:A1OiVVVV2112112100;100 1

16、010100;100 10100 1010010100;110100 10100 101001010ioiioioiiVVVVVVVVVVVR2 +R1uoRf1Rf2Rf3uii1if1if2if3f3f2f1f21f1o1RRRRRRuuAiuf 例6：图示电路既能提高输入电阻，也能满足一定放大倍数的要求。根据运放工作在线性区的虚短和虚断两条分析依据，可以推出图示电路的闭环电压放大倍数为：111131113311213111331221112113121212121313121231;(1);() (1)ffifffffffffffffoffffffffffffifffffffffffoi

17、RRuiiiiiRRRRRiiiiiiRRRui Ri RiRi RRR RR Rui RRRRRRRR RRRRuuR R2 +R1uoRf1Rf2Rf3uii1if1if2if3例例7 7： 在图示电路中，已知R1=100k，Rf1=200k，Rf2=200k， Rf3=1k，求：（1）闭环电压放大倍数Auf、输入电阻ri及平衡电阻R2；（2）如果改用基本反相比例电路，要想保持闭环电压放大倍数和输入电阻不变，反馈电阻Rf应该多大？R2 +R1uoRf1Rf2Rf3uii1if1if2if3解解（1）闭环电压放大倍数为：5 .1021502005020010011f3f2f1f2f11RRR

18、RRRAuf输入电阻为：k 10011111RiiRiurii平衡电阻为：k 8 .661/50200/100/f3f2f112RRRRR（2）如果 改用图 4-1 的 电路，由5 .102ufA，k 1001irR及闭环电压放大倍数的公式1fRRAuf，可求得反馈电阻 Rf为：M 10k 102501005 .1021RARuff此值过大，不切实际。 运放线性电路分析思路：1，记住单元电路及其性质2，理想运放在线性区特征：虚短，虚断3，迭加定理 1.理想运放工作在线性区，具有虚短和虚断两个特点，虚短是指 ，而虚断可用 表示。 A. i+ = i-=0 B.u+=u- 2、由理想运算放大器A1

19、、A2构成如图所示电路。（1）请说明由A1、A2分别构成什么电路，它们是否均存在虚地；（2）试写出UO1和UO的表达式。 解：（1） 构成的反相比例运算电路存在虚地。 构成同相比例运算电路，不存在虚地。 （2） RUO1R4R3RR2R1UIUO_ A1+_ A2+1A2AIOURRU1214131RUURUOOOIOURRRRU)1 (3412 集成运放应用中的几个问题集成运放应用中的几个问题 在实际应用中， 除了根据用途和要求正确选择运放的型号外，还必须注意以下几个方面的问题。 1. 对集成运放的粗测对集成运放的粗测 根据集成运放内部的电路结构，可以用万用表粗略测量出各引脚之间有无短路或开

20、路现象，判断其内部有无损坏。测试时必须注意， 不可用大电流挡（如R1()挡）测量，以免电流过大而烧坏PN结；也不可用高电压档（如R10 k档）测量，以免电压过高损坏组件。 2. 调零问题调零问题 由于失调电压、失调电流的影响， 使运放在输入为零时，输出不等于零。为此，必须采取调零措施予以补偿。 有些运放设有调零端子，如F007的、脚。这时可选用精密的线绕电位器进行调零，如图所示。将两输入端的电阻接地， 调整电位器，使输出电压为零。 有些集成运放未设调零端子，可采用辅助调零的办法加以解决。辅助调零实质上是在输入端额外引入一个与失调作用相反的直流电位，以此来抵消失调的影响。以（a）图为例，辅助直流电位经电位器RP、电阻R1引