模擬電子線路(模電)運放運算電路.ppt

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(yīng)用電路,一. 比例運算電路,1. 反相比例運算電路,“虛短”與“虛斷”,倒相器,2. 同相比例運算電路,“虛短”與“虛斷”,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。,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。,1.加法電路,(1)反相加法器,方法一：“虛短”+ “虛斷”,二. 加法和減法電路,方法二：疊加定理,由同相比例運算電路得：,由“虛斷”得：,（2）同相加法電路,（二）減法器,1、利用加法器,ui2-ui1 = ui2+(-ui1),倒相器（-1）,疊加定理,（二）減法器,2、差動減法器,ui1作用,ui2作用,綜合：,例 設(shè)計運算電路。要求實現(xiàn)y=2X1+5X2+X3的運算。 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(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)都是負值，因此需加一級變號運算電路。,輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系如下：,Rf1/R1=2、Rf1/R2=5、Rf11/R3=1 取Rf1=Rf2=R4=10k， 則 R15k，R22k，R3=10k，R1=R1R2R3Rf1，R2=R4Rf2=Rf2/2。,例 設(shè)計一個加減法運算電路，使其實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算， Y=X1+2X2-5X3-X4。,加減法運算電路,解 此題的電路模式應(yīng)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。,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：電路如，求輸出電壓 Uo。,解：,又,所以,1. 積分運算電路,積分運算電路,三. 積分和微分電路,當(dāng)輸入信號是階躍直流電壓UI時，即,例:畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。,(a) 階躍輸入信號,(b)方波輸入信號,由上式可以看出，當(dāng)輸入電壓固定時， 由集成運放構(gòu)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(guān)系。從這一點來看， 集成運放構(gòu)成的積分器實現(xiàn)了接近理想的積分運算。 ,解: ,當(dāng)uo=Uom=-15V時，, 計算結(jié)果表明，積分運算電路的輸出電壓受到運放最大輸出電壓Uom的限制。當(dāng)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； =1 V, t0 。 運放的最大輸出電壓Uom=15 V，求t0 范圍內(nèi)uo與ui之間的運算關(guān)系，并畫出波形。,積分電路用于方波三角波轉(zhuǎn)換,例 在圖示的電路中。 （1）寫出輸出電壓uo與輸入電壓ui的運算關(guān)系。 （2）若輸入電壓ui=1V，電容器兩端的初始電壓uC=0V，求輸出電壓uo變?yōu)?V所需要的時間。,利用積分電路可以模擬微分方程。圖中，由虛短、虛斷，有i1=if+iC，即 此式相當(dāng)于一階微分方程的一般式 ay+by=f(x) 因此， 用圖4.3.7可模擬 一階微分方程。 ,或,2. 微分運算電路, 當(dāng)vs為階躍電壓，由于信號源總有內(nèi)阻，t=0時，電容上壓降vo= 0。充電電流很大， vo亦很大，,由于充電時間常數(shù) =rc很小，充電電流很快降為0，vo亦很快為0。,t,Vs,vs,t,vo,Vs, 此電路對高頻噪聲敏感,噪聲為高頻諧波，設(shè)為vs=sint,嚴(yán)重時輸出噪聲會淹沒有用信號,vo正比于，頻率越高，噪聲越大，,微分電路是一個高通網(wǎng)絡(luò)，對高頻干擾及高頻噪聲反映靈敏，會使輸出的信噪比下降。因此，實用中常用改進電路。在此圖中，R1的作用是限制輸入電壓突變，C1的作用是增強高頻負反饋，從而抑制高頻噪聲， 提高工作的穩(wěn)定性。 ,有源微分器,利用拉氏變換：,拉氏反變換得,波形變換,輸入方波,積分輸出三角波,微分輸出尖脈沖,例：、在下圖所示電路中，運算放大電路A1、A2為理想的。 （1） 試求輸出電壓VO與輸入電壓Vi的關(guān)系式。 （2） 說明流過電阻R2的電流i2=? （1） （2）i2 =0,例： 寫出輸出電壓uo1、uo與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。（電容的初始電壓為0）。,1. 對數(shù)運算電路,四. 對數(shù)和指數(shù)電路,對數(shù)運算放大器,i = iC,IS：三極管發(fā)射結(jié)反向飽和電流,缺點： 幅值不能超過0.7V；, 溫漂嚴(yán)重。,改進型對數(shù)變換器,由圖,由于,（很?。?則,T1、T2特性相同,2. 指數(shù)運算電路,指數(shù)運算電路相當(dāng)反對數(shù)運算電路,反對數(shù)運算放大器,iE = iC,缺點：vS限定為正值；, 存在溫漂。,基本原理,對數(shù)反對數(shù)型模擬乘法器,實 現(xiàn) 框 圖,乘、除法器,因T1、T2、T3、T4 構(gòu)成跨導(dǎo)線性環(huán)，,則,分析方法一：,由圖,整理得,（實現(xiàn)乘、除運算）,分析方法二：,A4反對數(shù)放大器,一、數(shù)據(jù)放大器 二、電壓和電流轉(zhuǎn)換電路,五. 基本應(yīng)用電路,一、數(shù)據(jù)放大器 （儀表放大器、測量放大器）,特點：高共模抑制比 高輸入阻抗 高放大倍數(shù),如AD624等， R1有引線連出，同時有一組R1接成分壓器形式，可選擇連線，接成多種R1阻值,解：R1的中點為交流零電位，則：,R1作用：調(diào)節(jié)增益,產(chǎn)品：,分析方法2：,儀器放大器是用來放大微弱差值信號的高精度放大器。,特點：KCMR很高、 Ri 很大， Av 在很大范圍內(nèi)可調(diào)。,由,得,由,得,由減法器A3得：,若R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6,整理得,有源反饋儀器放大器,可證明,采用嚴(yán)格配對的低噪聲對管和精密電阻，可構(gòu)成低噪聲、高精度、增益可調(diào)的儀器放大器。,儀器放大器的應(yīng)用,儀器放大器單片集成產(chǎn)品：,LH0036、LH0038、AMP-03、AD365、AD524等。,例：儀器放大器構(gòu)成的橋路放大器,溫度為規(guī)定值時 RT =R 路橋平衡 vo =0 。,溫度變化時 RT R 路橋不平衡 vo 產(chǎn)生變化。,精密整流電路,精密半波整流電路,利用集成運放高差模增益與二極管單向?qū)щ娞匦?，?gòu)成對微小幅值電壓進行整流的電路。,vI =0時 vO =0 D1、D2 vO=0,vI 0時 vO 0 D1、D2 vO=0,vI 0 D1、D2 , vO= -(R2 / R1)vI,工作原理：,輸入正弦波,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(shè)集成運放開環(huán)增益Ad為50萬倍，二極管導(dǎo)通電壓為0.7 V，則VD1導(dǎo)通時運放的差模輸入電壓為 ud = u- - u+ = 上式說明， 折算到運放輸入端，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。,精密轉(zhuǎn)折點電路,當(dāng)v- 0，即 vI -(R3 / R1)VR 時：,當(dāng)v- 0，即 vI -(R3 / R1)VR 時：,由圖,vO 0 D1、D2 ,vO 0 D1、D2,則,精密轉(zhuǎn)折點電路實現(xiàn)非線性的函數(shù),R/R1,R/R2,R/R3,傳輸特性,二、電壓和電流轉(zhuǎn)換電路,1、電流-電壓變換器,2、電壓-電流變換器,電壓-電流和電流-電壓變換器廣泛應(yīng)用于放大電路和傳感器的連接處，是很有用的電子電路。,1 、電流-電壓變換器（ I/U ）,輸出端的負載電流,2、 電壓-電流變換器（ U / I ）,(a)負載不接地,(b)負載接地,討論： 1. 當(dāng)分母為零時， iO ，電路自激。 2. 當(dāng)R2 /R1 =R3 /R4時, 則,例1 由運放組成的晶體管測量電路如下圖，假設(shè)運放具有理想特性，晶體管的VBE=0.7V.,(1) 求出晶體管c、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。,+,+,A1,A2,6k,10k,v1,R2,c,e,b,R3,10k,R1,v2,(+6V),(+12V),V,電壓表,解：(1) vC = 6V vB = 0V vE = 0.7V,(2),例2 下圖電路中， A1、A2 、A3均為理想運放, 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？,+,+,R2,R3,R1,vo4,+,+,R1,R2,Rf,Rf,R1,R3,R,R,Rf,vo2,vi1,vi2,vo1,vo3,C,R2,解：(1),(2),例3 下圖中A為理想運放，求vi=0.3V時v0的值。,解： v+ = v =0.2V, vo= vM +0.04 R3 = 0.4+0.0410 = 0.8V,例4 下圖所示電路中，假設(shè)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,+,+,A3,A2,A1,10k,vi,vo3,10k,R4,R5,10k,10k,R1,R2,10k,vo2,vo1,解： (1) A1：電壓跟隨器；,A2：反相求和電路；,A3：同相比例放大器。,(2) vo1 = vi,例5 求下圖所示電路的電壓放大倍數(shù),設(shè)A1、A2都是理想運算放大器。,+,10k,+,A1,A2,10k,100k,100k,10k,10k,100k,vi1,vi2,vo,vo1,對于 對于,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：,例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？,解（1）閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：,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、A2構(gòu)成如圖所示電路。（1）請說明由A1、A2分別構(gòu)成什么電路，它們是否均存在虛地；（2）試寫出UO1和UO的表達式。 解：（1） 構(gòu)成的反相比例運算電路存在虛地。 構(gòu)成同相比例運算電路，不存在虛地。 （2）,集成運放應(yīng)用中的幾個問題 在實際應(yīng)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 根據(jù)集成運放內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)，可以用萬用表粗略測量出各引腳之間有無短路或開路現(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 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(shè)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(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引到了反相輸入端，調(diào)節(jié)電位器觸點，便可改變加至反相端的輔助直流電位，從而使得當(dāng)輸入信號為零時，輸出電壓uo亦為零。,3. 消除自激問題 運放在工作時容易產(chǎn)生自激振蕩。為此，目前大多數(shù)集成運放內(nèi)電路已設(shè)置了消振的補償網(wǎng)絡(luò)，有些運放引出有消振端子， 用以外接RC消振網(wǎng)絡(luò)。 在實際使用時， 還可按圖4.3.28所示，在電源端、 反饋支路及輸入端聯(lián)接電容或阻容支路，來消除自激。 ,4. 保護措施 為防止電源極性接反， 可在正、 負電源回路中順接二極管。若電源接反，二極管因反偏而截止，等于電源斷路， 起到了保護運放的作用。 如圖4.3.29所示。 為防止輸入差?；蚬材ｋ妷哼^高損壞集成運放的輸入級， 可在集成運放輸入端并接極性相反的兩只二極管，從而使輸入電壓的幅度限制在二極管的正向?qū)妷褐畠?nèi)，如圖4.3.30 所示。不過，二極管本身的溫度漂移會使放大器輸出的漂移變大，應(yīng)引起注意。 ,輸出保護是為了防止輸出碰到過電壓時使輸出級擊穿， 可采用圖4.3.31所示電路。輸出正常時，雙向穩(wěn)壓管未擊穿， 其相當(dāng)于開路，對電路沒有影響。當(dāng)輸出端電壓大于雙向穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓管被擊穿，反饋支路阻值大大減小，負反饋加深，從而將輸出電壓限制在雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓范圍內(nèi)。,1（ A ）比例運算電路中集成運放兩個輸入端的電位等于輸入電壓。 A、同相 B、 反相 C、減法 2理想運放電路如下圖(a)、(b)所示，試計算各電路的輸出電壓值。,3，比例運算電路的輸入電流等于零，而 比例運算電路的輸入電流等于流過反饋電阻中的電流。 同相，反相,