集成運算放大器的線性應用.ppt

第5章集成運算放大器的應用 end 第5章集成運算放大器的線性應用 end 運放線性應用的條件與特點 1 運放的傳輸特性uo f ui 在圖示運放電路中 有uo Aod ui2 ui1 Aodui 設電源電壓為 12V 則運放最大輸出電壓UOM 10V 設運放Aod 104 則其傳輸特性如圖所示 0 1 0 1 10 10 線性區(qū) 非線性區(qū) 非線性區(qū) 結(jié)論 運放在開環(huán)狀態(tài)下線性區(qū)很窄 只能工作在非線性區(qū) 理想運放則無線性區(qū) 如何使運放工作在線性區(qū)呢 降低電壓放大倍數(shù) 如何降低電壓放大倍數(shù)呢 引入負反饋 結(jié)論 運放工作在線性區(qū)的條件是在電路中加入負反饋 運放線性應用的條件與特點 2 運放工作在線性狀態(tài)下的兩個特點 RF引入負反饋 設U 與U 為運放同相與反相端的電位 有uo Aod U U 即 U U uo Aod 因為對于理想運放有Aod 所以 U U 虛接 I I I I 設I 與I 為運放同相與反相端的輸入電流 因為對于理想運放有rid 所以 I I 0 虛斷 end 分析運放組成的線性電路的出發(fā)點 虛接虛斷放大倍數(shù)與負載無關(guān) 可以分開分析 第5章集成運算放大器的線性應用 比例運算電路 1 實現(xiàn)將輸入信號按比例放大的電路 稱為比例運算電路 反相比例運算 同相比例運算 實現(xiàn)運算uo kui 實現(xiàn)運算uo kui 1 反相比例運算電路 InvertingAmplifier 電路結(jié)構(gòu)特點 Rf引入深度負反饋 該反饋為何種組態(tài) 輸入信號加入反相端 平衡電阻R R1 RF 實現(xiàn)將信號放大并進行運算的電路 稱為運算電路 比例運算電路 2 參數(shù)計算 因為I 0 所以i1 if 即 又因為U U R I 0 所以 即電壓放大倍數(shù) 輸入電阻 因為電路引入電壓負反饋 輸出電阻ro 0 若輸出端加負載 uo改變嗎 則實現(xiàn)運算 虛地 i1 if I 例 R1 10k RF 20k ui 1V 求 uo RP應為多大 Auf RF R1 20 10 2uo Aufui 2 1 2VRP R1 RF 10 20 6 7k 反相比例運算電路舉例 反相比例電路的特點 1 共模輸入電壓為0 因此對運放的共模抑制比要求低 2 由于電壓負反饋的作用 輸出電阻小 可認為是0 因此帶負載能力強 1 由于并聯(lián)負反饋的作用 輸入電阻小 因此對輸入電流有一定的要求 2 在放大倍數(shù)較大時 該電路結(jié)構(gòu)不再適用 優(yōu)點 缺點 輸入電阻小 共模電壓為0以及 虛地 是反相輸入的特點 比例運算電路 3 2 同相比例運算電路 NoninvertingAmplifer 電路結(jié)構(gòu)特點 Rf引入深度負反饋 輸入信號加入同相端 平衡電阻R R1 RF 該反饋為何種組態(tài) i1 if I 參數(shù)計算 因為I 0 所以i1 if 即 又因為U U ui 所以 即電壓放大倍數(shù) 則實現(xiàn)運算 比例運算電路 4 i1 if I 輸入電阻 因為電路引入電壓負反饋 輸出電阻ro 0 當Auf 1時 稱為電壓跟隨器 VoltageFollower 此電路是電壓串聯(lián)負反饋 輸入電阻大 輸出電阻小 在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同 但是電壓跟隨性能好 例題 Rf 10k RF 20k ui 1V 求 uo RP應為多大 uo Auui 3 1 3VRP Rf RF 10 20 6 7k 同相比例運算電路舉例 同相比例電路的特點 1 共模輸入電壓為ui 因此對運放的共模抑制比要求高 1 由于電壓負反饋的作用 輸出電阻小 可認為是0 因此帶負載能力強 2 由于串聯(lián)負反饋的作用 輸入電阻大 優(yōu)點 缺點 比例運算電路 5 分析圖示電路輸出電壓u0與輸入電壓ui的關(guān)系 i1 if I 因為I 0 所以i1 if 即 又因為U U 所以 則 U I 因為I 0 所以R2 R3串聯(lián) 比例運算電路 6 end 分析圖示電路輸出電壓u0與輸入電壓ui的關(guān)系 U i1 i2 虛接 虛斷 虛斷 比例運算電路綜合舉例 例3 求Auf R2 uO1 i1 i2 i3 i4 例 運放運算電路如圖所示 導出的表達式 加 減運算電路 反相加法器同相加法器減法器加減器 實現(xiàn)將若干個輸入信號之和或之差按比例放大的電路 稱為加 減運算電路 加法與減法運算電路 1 反相加法器 SummingAmplifer 電路結(jié)構(gòu)特點 Rf引入深度負反饋 輸入信號均加入反向端 平衡電阻R R1 R2 R3 Rf 輸入輸出關(guān)系計算 因為I 0 所以i1 i2 i3 if 即 又因為U U R I 0 若取R1 R2 R3 R 則 則實現(xiàn)運算 I 0 加法與減法運算電路 2 反相加法器的特點 實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù) 以適應不同的需要 2 由于 虛地 的特點 調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信號的輸入電阻 不影響其他輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系 調(diào)節(jié)方便 加法與減法運算電路 2 同相加法器 電路結(jié)構(gòu)特點 Rf引入深度負反饋 輸入信號均加入同向端 輸入輸出關(guān)系計算 因為I 0 所以i1 i2 i3 0 即 又因為在同相比例器中有 則實現(xiàn)運算 I 0 整理得 RP R1 R2 R3 同相加法器的特點 實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù) 以適應不同的需要 2 同相求和電路的各輸入信號的放大倍數(shù)互相影響 不能單獨調(diào)整 加法與減法運算電路 4 3 由于存在共模電壓 對輸入電壓及運放的共模抑制比要求較高 加法與減法運算電路 3 減法器 DifferenceAmplifer 輸入信號同時加入反相端與同相端 ui1單獨作用 0 ui2單獨作用 0 所以 若取R1 R2 R3 Rf則 end 若取R1 R2 R3 Rf則 差動放大器 加法與減法運算電路 6 例 R1 10k R2 20k ui1 1V ui2 1V 求 uo R2 加法與減法運算電路 7 加減器 多個輸入信號同時加入反相端與同相端 例2 設計一個加減運算電路 選用的電阻在100 100K 使uo 10ui1 8ui2 20ui3 解 1 畫電路 系數(shù)為負的信號從第二級反相端輸入 系數(shù)為正的信號從第一級反相端輸入 加法與減法運算舉例 加法與減法運算舉例 2 1 它們都引入電壓負反饋 因此輸出電阻都比較小 2 關(guān)于輸入電阻 反相輸入的輸入電阻小 同相輸入的輸入電阻高 3 同相輸入的共模電壓高 反相輸入的共模電壓小 比例運算電路與加減運算電路小結(jié) 積分與微分運算 1 1 積分運算電路 Integrator 電容C引入深度負反饋 i1 ic I 在圖示電路中 因為I 0 所以i1 ic 又因為U 0 所以 uc 則 對該式積分 有 若設電容上電壓初始值為uc 0 則 積分電路的主要用途 1 在電子開關(guān)中用于延遲 2 波形變換 例 將方波變?yōu)槿遣?3 A D轉(zhuǎn)換中 將電壓量變?yōu)闀r間量 4 移相 積分與微分運算 2 積分與微分運算 2 例 設積分電路中 uc 0 0 運放輸出U0M 10V 試求 1 當C 1uF R1分別為1k 和2k 輸入為階躍信號時 uo 2 設R1C 10mS 輸入為矩形脈沖 uo 解 1 當R1 1k 時 則 當R1 2k 時 同理有 結(jié)論 RC的大小決定積分的速度 稱為時間常數(shù) 積分與微分運算 3 當輸入為圖示矩形脈沖時 可由公式進行分段積分如下 1 當0 t t1時 ui 2V 2 當t1 t t2時 ui 2V 3 當t2 t t3時 ui 2V 同理有 積分與微分運算 4 實際積分電路中存在積分漂移現(xiàn)象 積分電路對集成運放中的失調(diào)與漂移同樣進行積分 使輸出達到飽和的現(xiàn)象 盡可能選用失調(diào)與漂移小的運放 在積分電容兩端并接電阻Rf Rf的作用 引入直流反饋 有效的抑制失調(diào)的影響 積分與微分運算 5 2 微分運算電路 Differentiator i1 ic I uc 在圖示電路中 因為I 0 所以i1 ic 又因為U 0 所以 則 微分電路輸出只與電路輸入變化率有關(guān) end 運算電路要求 1 熟記各種單運放組成的基本運算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式 2 掌握以上基本運算電路的級聯(lián)組合的計算 3 會用 虛斷 ii 0 和 虛接 u u 分析給定運算電路的放大倍數(shù) 第5章集成運算放大器的線性應用 end 電壓與電流的變換 1 電壓 電流變換 Voltage to CurrentConverter 將電壓信號變換為電流信號 因為U U ui iL i1 所以 iL ui R1 即該電路可將電壓信號ui轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘杋L輸出 電路特點 適用于負載不需要接地的場合 電壓測量 將RL換為一個表頭 可測量電壓 由于運放入端電流接近零 輸出電流與表頭內(nèi)阻無關(guān) 故測量精度很高 電壓與電流的變換 2 電路特點 適用于負載需要接地的場合 輸出電流iL分析 u0 設輸出電壓為u0 則由疊加原理 反相輸入端電位U 為 由KCL有 iL i3 i2 則 因為U U 并設Rf R1 R3 R2 整理得 iL ui R3 即該電路可將電壓信號ui轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘杋L輸出 電壓與電流的變換 3 電流 電壓變換 Current to VoltageConverter 將電流信號變換為電壓信號 因為I 0 所以 ii if uo Rfii 又因為U U 0 所以 即該電路可將電流信號ii轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘杣o輸出 電阻測量 將Rf換為被測電阻RX 可測量電阻 end 限幅電路 1 限幅電路 又稱鉗位電路 當輸入信號在一定范圍內(nèi)變化時 輸出跟隨變化 當輸入信號變化超出范圍后 輸出保持恒定 UZ 定義 使輸出恒定時的輸入為門限電壓Uth Uth UZ Uth 本電路Uth 限幅電路 2 例 求圖示限幅電路的門限電壓Uth 解 電路輸出由二極管工作狀態(tài)決定 若D截止 則 若D導通 則 如何判斷二極管的工作狀態(tài) ua 設D截止 則 則當uD UD時D導通 而D導通時輸出變化 即 所以 Uth UO 單向限幅 end