模擬電子線路(模電)運放運算電路

1、 集成運放運算電路1 比例運算電路2 加法與減法電路3 積分與微分電路4 對數(shù)與指數(shù)電路5 基本應用電路一一. 比例運算電路比例運算電路1. 反相比例運算電路反相比例運算電路IFoFoIuRRuuuRuuRuu110“虛短虛短”與與“虛虛斷斷”IoFuuRR時當1倒相器倒相器2. 同相比例運算電路同相比例運算電路11111:)1 (0RRuuuRRuuuuuRRRuiiFIoIFoIoF或“虛短虛短”與與“虛斷虛斷”IoFuuRR10:或當電壓跟隨器電壓跟隨器例例 在圖示電路中，已知R1=100k， Rf=200k ，ui=1V，求輸出電壓uo，并說明輸入級的作用。ui +R2 +uoRfR1

2、uo1解解 輸入 級為電 壓跟隨 器， 由于是 電壓串 聯(lián)負反 饋， 因而具 有 極 高 的 輸 入 電 阻 ， 起 到 減 輕 信 號 源 負 擔 的 作 用 。 且V 1o1iuu，作為第二級的輸入。第二級為反相輸入比例運算電路，因而其輸出電壓為：(V) 21100200o11ouRRuf例例 在圖示電路中，已知R1=100k， Rf=200k ， R2=100k， R3=200k ， ui=1V，求輸出電壓uo。R2 +uoRfR1uiR3解解 根據(jù)虛斷，由圖可得：ifuRRRuuRRRu323o11R2 +uoRfR1uiR3又根據(jù)虛短，有： uu所以：ifuRRRuRRR323o11

3、ifuRRRRRu3231o1可見圖 4-6 所示電路也是一種同相輸入比例運算電路。代入數(shù)據(jù)得：(V) 212001002001002001ou1.加法電路加法電路(1)反相加法器反相加法器方法一：方法一：“虛短虛短”+ “+ “虛斷虛斷”二. 加法和減法電路33221133221132100uRRuRRuRRuRuRuRuRuuuiiiiiFFFoFoF方法二方法二：疊加定理疊加定理332211uRRuRRuRRuFFFo)(321321uuuRRuRRRRFo當uRRuFo11由同相比例運算電路得：由同相比例運算電路得：由由“虛斷虛斷”得：得：332211RuRuuRuuRuu332211

4、uRRuRRuRRuPPP321RRRRRP其中33221111uRRuRRuRRRRuPPPFo（2）同相加法電路）同相加法電路（二）減法器（二）減法器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疊加定理疊加定理（二）減法器（二）減法器2、差動減法器、差動減法器 ui1作用i11f1uRRuo ui2作用i221f2)1 (uRRRRRuo 綜合：綜合：i221fi11f)1 (uRRRRRuRRuo)()(i1i21fi2i11fuuRRuuRRuo

5、21fRRRR若 例例 設計運算電路。要求實現(xiàn)y=2X1+5X2+X3的運算。 解解:電路模式為Uo=2Ui1+5Ui2+Ui3，是三個輸入信號的加法運算。各個系數(shù)由反饋電阻Rf與各輸入信號的輸入電阻的比例關系所決定。由于式中各系數(shù)都是正值，而反相加法器的系數(shù)都是負值，因此需加一級變號運算電路。 Uo1R1R2R3Rf1Ui1Ui2Ui3R1 R1R2R3Rf1R4Rf2Uo R2 R4Rf242331221111142331221111)(RRURRURRURRURRUURRURRURRUfifififofoifififoi輸出電壓和輸入電壓的關系如下： Rf1/R1=2、Rf1/R2=5、

6、Rf11/R3=1取Rf1=Rf2=R4=10k，則R1 5 k ， R2 2 k ， R3= 1 0 k ，R1=R1R2R3Rf1，R2=R4Rf2=Rf2/2。 例例 設計一個加減法運算電路，使其實現(xiàn)數(shù)學運算， Y=X1+2X2-5X3-X4。 Uo1R1R2Rf1Ui1Ui2R1 R1R2Rf1Rf2Rf2Uo R2 R3R4R3Ui3R4Ui42Rf2 加減法運算電路 解解 此題的電路模式應為Uo=Ui1+2Ui2-5Ui3-Ui4，利用兩個反相加法器可以實現(xiàn)加減法運算。 4423322211114423321222211111ififififififoffoififoURRURRU

7、RRURRURRURRURRUURRURRU 如果取Rf1=Rf2=10k，則R110k，R25k，R32k，R410k，R1=R1R2Rf1、R2 =R3R4Rf2/2。 由于兩級電路都是反相輸入運算電路，故不存在共模誤差。 例例：電路如，求輸出電壓 Uo。 112315 . 0iioUURRU解：22ioUU7654/RRRR又2126514555 . 2iioooUUURRURRU所以1. 積分運算電路積分運算電路積分運算電路三三. 積分和微分電路積分和微分電路，于是根據(jù)虛地有Ruii tuRCtiCuud1d1iCCO當輸入信號是階躍直流電壓UI時，即tRCUtuRCuuIiCOd1例

8、例: :畫出在給定輸入波形作用畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。下積分器的輸出波形。(a) 階躍輸入信號(b)方波輸入信號tuRCud1iO 由上式可以看出，當輸入電壓固定時， 由集成運放構成的積分電路，在電容充電過程（即積分過程）中，輸出電壓（即電容兩端電壓）隨時間作線性增長， 增長速度均勻。 而簡單的RC積分電路所能實現(xiàn)的則是電容兩端電壓隨時間按指數(shù)規(guī)律增長， 只在很小范圍內(nèi)可近似為線性關系。從這一點來看， 集成運放構成的積分器實現(xiàn)了接近理想的積分運算。 解: ttCRUuIo5010110201631當uo=Uom=-15V時， st3 . 05015 計算結(jié)果表明，積分運算電路

9、的輸出電壓受到運放最大輸出電壓Uom的限制。當uo達到Uom后就不再增長。 例: 積分電路， R1=20 k，C=1F，ui為一正向階躍電壓, ui=0, t0時時 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傳輸特性傳輸特性vItvOtvIR2R1- -輸入正弦波輸入正弦波輸出半波輸出半波 精密整流電路，一個周期內(nèi)輸出電壓半周為0，半周與輸入電壓成比例。 設集成運放開環(huán)增益Ad為50萬倍，二極管導通電壓為0.7 V，則VD1導通時運放的差模輸入電壓為 ud = u- - u+ = 上式說明，

10、 折算到運放輸入端，僅1.4V就可使二極管VD1導通。同理，使VD2 導通的電壓也降到這個數(shù)量級。顯然， 這樣的精密整流電路可對微弱輸入信號電壓進行整流。 uVVAuAuudodo4 . 110507 . 0411q 精密轉(zhuǎn)折點電路精密轉(zhuǎn)折點電路 當當v- - 0，即，即 vI -(-(R3 / R1) )VR 時：時： 當當v- - 0，即，即 vI 0 D1 、D2 傳輸特性傳輸特性vOvI- -R2 / R3VRR3R1- -vO 0 D1 、D2 vO=0 則則)(R13I32OVRRvRRv則則q 精密轉(zhuǎn)折點電路實現(xiàn)非線性的函數(shù)精密轉(zhuǎn)折點電路實現(xiàn)非線性的函數(shù) R/R1vo1-+A1V

11、R1Rr1RD1D2R1vIvo2-+A2VR2Rr2RD3D4R2RR-+A3VR3Rr3RD5D6R3Rvo3-+A4vOR)(R11r1I1O1VRRvRRv)(R22r2I2O2VRRvRRv)(R33r3I3O3VRRvRRv)(O3O2O1O3vvvvR/R2R/R3vOvIvI1vI2vI3傳輸特性傳輸特性二、電壓和電流轉(zhuǎn)換電路二、電壓和電流轉(zhuǎn)換電路1 1、電流、電流- -電壓變換器電壓變換器2 2、電壓、電壓- -電流變換器電流變換器電壓電壓- -電流電流和和電流電流- -電壓電壓變換器廣泛應用于變換器廣泛應用于放大電路和傳感器的連接處，是很有用的放大電路和傳感器的連接處，是很

12、有用的電子電路。電子電路。1 、電流、電流-電壓變換器（電壓變換器（ I/U ）fSO=Riu輸出端的負載電流輸出端的負載電流SLfLfSLOO=iRRRRiRui此時該電路也可視為電流放大電路。若LR固定，則輸出電流與輸入電流成比例，2 2、 電壓電壓- -電流變換器電流變換器（ U / I ）SO1uRi (a)負載不接地(b)負載接地)(L12L433S12ORRRRRRRuRRi討論：1. 當分母為零時， iO ，電路自激。2. 當R2 /R1 =R3 /R4時, 則S4O1uRi 由運放組成的晶體管測量電路如下圖，假設運放具有理想特性，晶體管的VBE=0.7V.(1) 求出晶體管c、

13、b、e各極的電位；(2) 若電壓表讀數(shù)為200mV，求被測量晶體管的值。+A1A26k10kv1R2cebR310kR1v2(+6V)(+12V)V電壓表(1) vC = 6V vB = 0V vE = 0.7V(2)A2010200mV2002BRImA166121C1CRvvI50 BCII故 下圖電路中， A1、A2 、A3均為理想運放101fRR, R3C =1ms. vi1=0.1V, vi2=0.3V為直流輸入電壓，在 t = 0時加入。(1) 求vo1，vo2，vo3；(2) 若t=0時電容上C上的初始電壓uC(o)=0，問需經(jīng)多久時間使uo4=5V？+R2R3R1vo4+R1R

14、2RfRfR1R3RRRfvo2vi1vi2vo1vo3CR2V1101 i1f1ovRRv(1)(2)V533oo4tCRvvV2)(2o221o22o3vRRvRRvV3i21fo2vRRv512tms5 . 2t 下圖中A為理想運放，求vi=0.3V時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 下圖所示電路中，

15、假設各運放具有理想特性。(1) 指出A1、A2、A3各組成什么電路；(2) 寫出v01、v02、v03的表達式。+R3+A3A2A110kvivo310kR4R510k10kR1R210kvo2vo1 (1) A1：電壓跟隨器；A2：反相求和電路；A3：同相比例放大器。(2) vo1 = viii13o123o22)(vvRRvRRvio254o34)1(vvRRv例例5 求下圖所示電路的電壓放大倍數(shù)21oiivvv設A1、A2都是理想運算放大器。+10k+A1A210k100k100k10k10k100kvi1vi2vovo1對于對于2:A1:A1OiVVVV2112112100;100 1

16、010100;100 10100 1010010100;110100 10100 101001010ioiioioiiVVVVVVVVVVVR2 +R1uoRf1Rf2Rf3uii1if1if2if3f3f2f1f21f1o1RRRRRRuuAiuf 例6：圖示電路既能提高輸入電阻，也能滿足一定放大倍數(shù)的要求。根據(jù)運放工作在線性區(qū)的虛短和虛斷兩條分析依據(jù)，可以推出圖示電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：111131113311213111331221112113121212121313121231;(1);() (1)ffifffffffffffffoffffffffffffifffffffffffoi

17、RRuiiiiiRRRRRiiiiiiRRRui Ri RiRi RRR RR Rui RRRRRRRR RRRRuuR R2 +R1uoRf1Rf2Rf3uii1if1if2if3例例7 7： 在圖示電路中，已知R1=100k，Rf1=200k，Rf2=200k， Rf3=1k，求：（1）閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Auf、輸入電阻ri及平衡電阻R2；（2）如果改用基本反相比例電路，要想保持閉環(huán)電壓放大倍數(shù)和輸入電阻不變，反饋電阻Rf應該多大？R2 +R1uoRf1Rf2Rf3uii1if1if2if3解解（1）閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：5 .1021502005020010011f3f2f1f2f11RRR

18、RRRAuf輸入電阻為：k 10011111RiiRiurii平衡電阻為：k 8 .661/50200/100/f3f2f112RRRRR（2）如果 改用圖 4-1 的 電路，由5 .102ufA，k 1001irR及閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的公式1fRRAuf，可求得反饋電阻 Rf為：M 10k 102501005 .1021RARuff此值過大，不切實際。 運放線性電路分析思路：1，記住單元電路及其性質(zhì)2，理想運放在線性區(qū)特征：虛短，虛斷3，迭加定理 1.理想運放工作在線性區(qū)，具有虛短和虛斷兩個特點，虛短是指 ，而虛斷可用 表示。 A. i+ = i-=0 B.u+=u- 2、由理想運算放大器A1

19、、A2構成如圖所示電路。（1）請說明由A1、A2分別構成什么電路，它們是否均存在虛地；（2）試寫出UO1和UO的表達式。 解：（1） 構成的反相比例運算電路存在虛地。 構成同相比例運算電路，不存在虛地。 （2） RUO1R4R3RR2R1UIUO_ A1+_ A2+1A2AIOURRU1214131RUURUOOOIOURRRRU)1 (3412 集成運放應用中的幾個問題集成運放應用中的幾個問題 在實際應用中， 除了根據(jù)用途和要求正確選擇運放的型號外，還必須注意以下幾個方面的問題。 1. 對集成運放的粗測對集成運放的粗測 根據(jù)集成運放內(nèi)部的電路結(jié)構，可以用萬用表粗略測量出各引腳之間有無短路或開

20、路現(xiàn)象，判斷其內(nèi)部有無損壞。測試時必須注意， 不可用大電流擋（如R1()擋）測量，以免電流過大而燒壞PN結(jié)；也不可用高電壓檔（如R10 k檔）測量，以免電壓過高損壞組件。 2. 調(diào)零問題調(diào)零問題 由于失調(diào)電壓、失調(diào)電流的影響， 使運放在輸入為零時，輸出不等于零。為此，必須采取調(diào)零措施予以補償。 有些運放設有調(diào)零端子，如F007的、腳。這時可選用精密的線繞電位器進行調(diào)零，如圖所示。將兩輸入端的電阻接地， 調(diào)整電位器，使輸出電壓為零。 有些集成運放未設調(diào)零端子，可采用輔助調(diào)零的辦法加以解決。輔助調(diào)零實質(zhì)上是在輸入端額外引入一個與失調(diào)作用相反的直流電位，以此來抵消失調(diào)的影響。以（a）圖為例，輔助直流電位經(jīng)電位器RP、電阻R1引到了反相輸入