模擬電子線路(模電)運(yùn)放運(yùn)算電路

1、 集成運(yùn)放運(yùn)算電路1 比例運(yùn)算電路2 加法與減法電路3 積分與微分電路4 對(duì)數(shù)與指數(shù)電路5 基本應(yīng)用電路一一. 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路1. 反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路IFoFoIuRRuuuRuuRuu110“虛短虛短”與與“虛虛斷斷”IoFuuRR時(shí)當(dāng)1倒相器倒相器2. 同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路11111:)1 (0RRuuuRRuuuuuRRRuiiFIoIFoIoF或“虛短虛短”與與“虛斷虛斷”IoFuuRR10:或當(dāng)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(shuō)明輸入級(jí)的作用。ui +R2 +uoRfR1

2、uo1解解 輸入 級(jí)為電 壓跟隨 器， 由于是 電壓串 聯(lián)負(fù)反 饋， 因而具 有 極 高 的 輸 入 電 阻 ， 起 到 減 輕 信 號(hào) 源 負(fù) 擔(dān) 的 作 用 。 且V 1o1iuu，作為第二級(jí)的輸入。第二級(jí)為反相輸入比例運(yùn)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(jiàn)圖 4-6 所示電路也是一種同相輸入比例運(yùn)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(dāng)uRRuFo11由同相比例運(yùn)算電路得：由同相比例運(yùn)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(dòng)減法器、差動(dòng)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(shè)計(jì)運(yùn)算電路。要求實(shí)現(xiàn)y=2X1+5X2+X3的運(yùn)算。 解解:電路模式為Uo=2Ui1+5Ui2+Ui3，是三個(gè)輸入信號(hào)的加法運(yùn)算。各個(gè)系數(shù)由反饋電阻Rf與各輸入信號(hào)的輸入電阻的比例關(guān)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(fù)值，因此需加一級(jí)變號(hào)運(yùn)算電路。 Uo1R1R2R3Rf1Ui1Ui2Ui3R1 R1R2R3Rf1R4Rf2Uo R2 R4Rf242331221111142331221111)(RRURRURRURRURRUURRURRURRUfifififofoifififoi輸出電壓和輸入電壓的關(guān)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(shè)計(jì)一個(gè)加減法運(yùn)算電路，使其實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算， Y=X1+2X2-5X3-X4。 Uo1R1R2Rf1Ui1Ui2R1 R1R2Rf1Rf2Rf2Uo R2 R3R4R3Ui3R4Ui42Rf2 加減法運(yùn)算電路 解解 此題的電路模式應(yīng)為Uo=Ui1+2Ui2-5Ui3-Ui4，利用兩個(gè)反相加法器可以實(shí)現(xiàn)加減法運(yùn)算。 4423322211114423321222211111ififififififoffoififoURRURRU

7、RRURRURRURRURRUURRURRU 如果取Rf1=Rf2=10k，則R110k，R25k，R32k，R410k，R1=R1R2Rf1、R2 =R3R4Rf2/2。 由于兩級(jí)電路都是反相輸入運(yùn)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(yùn)算電路積分運(yùn)算電路積分運(yùn)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(dāng)輸入信號(hào)是階躍直流電壓UI時(shí)，即tRCUtuRCuuIiCOd1例

8、例: :畫(huà)出在給定輸入波形作用畫(huà)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(hào)(b)方波輸入信號(hào)tuRCud1iO 由上式可以看出，當(dāng)輸入電壓固定時(shí)， 由集成運(yùn)放構(gòu)成的積分電路，在電容充電過(guò)程（即積分過(guò)程）中，輸出電壓（即電容兩端電壓）隨時(shí)間作線性增長(zhǎng)， 增長(zhǎng)速度均勻。 而簡(jiǎn)單的RC積分電路所能實(shí)現(xiàn)的則是電容兩端電壓隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)， 只在很小范圍內(nèi)可近似為線性關(guān)系。從這一點(diǎn)來(lái)看， 集成運(yùn)放構(gòu)成的積分器實(shí)現(xiàn)了接近理想的積分運(yùn)算。 解: ttCRUuIo5010110201631當(dāng)uo=Uom=-15V時(shí)， st3 . 05015 計(jì)算結(jié)果表明，積分運(yùn)算電路

9、的輸出電壓受到運(yùn)放最大輸出電壓Uom的限制。當(dāng)uo達(dá)到Uom后就不再增長(zhǎng)。 例: 積分電路， R1=20 k，C=1F，ui為一正向階躍電壓, ui=0, t0時(shí)時(shí) 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(gè)周期內(nèi)輸出電壓半周為0，半周與輸入電壓成比例。 設(shè)集成運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益Ad為50萬(wàn)倍，二極管導(dǎo)通電壓為0.7 V，則VD1導(dǎo)通時(shí)運(yùn)放的差模輸入電壓為 ud = u- - u+ = 上式說(shuō)明，

10、 折算到運(yùn)放輸入端，僅1.4V就可使二極管VD1導(dǎo)通。同理，使VD2 導(dǎo)通的電壓也降到這個(gè)數(shù)量級(jí)。顯然， 這樣的精密整流電路可對(duì)微弱輸入信號(hào)電壓進(jìn)行整流。 uVVAuAuudodo4 . 110507 . 0411q 精密轉(zhuǎn)折點(diǎn)電路精密轉(zhuǎn)折點(diǎn)電路 當(dāng)當(dāng)v- - 0，即，即 vI -(-(R3 / R1) )VR 時(shí)：時(shí)： 當(dāng)當(dāng)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(diǎn)電路實(shí)現(xiàn)非線性的函數(shù)精密轉(zhuǎn)折點(diǎn)電路實(shí)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(yīng)用于變換器廣泛應(yīng)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(fù)載電流輸出端的負(fù)載電流SLfLfSLOO=iRRRRiRui此時(shí)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(fù)載不接地(b)負(fù)載接地)(L12L433S12ORRRRRRRuRRi討論：1. 當(dāng)分母為零時(shí)， iO ，電路自激。2. 當(dāng)R2 /R1 =R3 /R4時(shí), 則S4O1uRi 由運(yùn)放組成的晶體管測(cè)量電路如下圖，假設(shè)運(yùn)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(cè)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(yùn)放101fRR, R3C =1ms. vi1=0.1V, vi2=0.3V為直流輸入電壓，在 t = 0時(shí)加入。(1) 求vo1，vo2，vo3；(2) 若t=0時(shí)電容上C上的初始電壓uC(o)=0，問(wèn)需經(jīng)多久時(shí)間使uo4=5V？+R2R3R1vo4+R1R

14、2RfRfR1R3RRRfvo2vi1vi2vo1vo3CR2V1101 i1f1ovRRv(1)(2)V533oo4tCRvvV2)(2o221o22o3vRRvRRvV3i21fo2vRRv512tms5 . 2t 下圖中A為理想運(yùn)放，求vi=0.3V時(shí)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(shè)各運(yùn)放具有理想特性。(1) 指出A1、A2、A3各組成什么電路；(2) 寫(xiě)出v01、v02、v03的表達(dá)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(shè)A1、A2都是理想運(yùn)算放大器。+10k+A1A210k100k100k10k10k100kvi1vi2vovo1對(duì)于對(duì)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(yùn)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(yīng)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(guò)大，不切實(shí)際。 運(yùn)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(yùn)放在線性區(qū)特征：虛短，虛斷3，迭加定理 1.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)，具有虛短和虛斷兩個(gè)特點(diǎn)，虛短是指 ，而虛斷可用 表示。 A. i+ = i-=0 B.u+=u- 2、由理想運(yùn)算放大器A1

19、、A2構(gòu)成如圖所示電路。（1）請(qǐng)說(shuō)明由A1、A2分別構(gòu)成什么電路，它們是否均存在虛地；（2）試寫(xiě)出UO1和UO的表達(dá)式。 解：（1） 構(gòu)成的反相比例運(yùn)算電路存在虛地。 構(gòu)成同相比例運(yùn)算電路，不存在虛地。 （2） RUO1R4R3RR2R1UIUO_ A1+_ A2+1A2AIOURRU1214131RUURUOOOIOURRRRU)1 (3412 集成運(yùn)放應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題集成運(yùn)放應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題 在實(shí)際應(yīng)用中， 除了根據(jù)用途和要求正確選擇運(yùn)放的型號(hào)外，還必須注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。 1. 對(duì)集成運(yùn)放的粗測(cè)對(duì)集成運(yùn)放的粗測(cè) 根據(jù)集成運(yùn)放內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)，可以用萬(wàn)用表粗略測(cè)量出各引腳之間有無(wú)短路或開(kāi)

20、路現(xiàn)象，判斷其內(nèi)部有無(wú)損壞。測(cè)試時(shí)必須注意， 不可用大電流擋（如R1()擋）測(cè)量，以免電流過(guò)大而燒壞PN結(jié)；也不可用高電壓檔（如R10 k檔）測(cè)量，以免電壓過(guò)高損壞組件。 2. 調(diào)零問(wèn)題調(diào)零問(wèn)題 由于失調(diào)電壓、失調(diào)電流的影響， 使運(yùn)放在輸入為零時(shí)，輸出不等于零。為此，必須采取調(diào)零措施予以補(bǔ)償。 有些運(yùn)放設(shè)有調(diào)零端子，如F007的、腳。這時(shí)可選用精密的線繞電位器進(jìn)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(yùn)放未設(shè)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(shí)質(zhì)上是在輸入端額外引入一個(gè)與失調(diào)作用相反的直流電位，以此來(lái)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