运算放大器基本原理及应用文档格式.docx
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输出阻抗ro=0;
带宽fbw=^;
失调与漂移均为零等理想化参数。
2.理想运放在线性应用时的两个重要特性
输出电压U与输入电压之间满足关系式:
Ub=Ad(L+-LU),由于Aud=^,而U为有限值,因此,U+-U-〜0。
即U-,称为“虚短”。
由于ri二X,故流进运放两个输入端的电流可视为零,即Iib=0,称为“虚断”
这说明运放对其前级吸取电流极小
上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则,可简化运放电路的计算
3.运算放大器的应用
(1)比例电路
所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路,比例电路又分为反向比
例电路、同相比例电路、差动比例电路。
(a)反向比例电路
反向比例电路如图3所示,输入信号加入反相输入端:
图3反向比例电路电路图
同向比例电路如图一段是反向输入端:
对于理想运放,该电路的输出电压与输入电压之间的关系为:
U。
訓
为了减小输入级偏置电流引起的运算误差,在同相输入端应接入平衡电阻R=R//Rf。
输出电压u0与输入电压u称比例关系,方向相反,改变比例系数,即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值。
反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求。
(b)
同向比例电路4所示,跟反向比例电路本质上差不多,除了同向接地的
它的输出电压与输入电压之间的关系为:
(1空)Uj;
R=R//RF
Ri
只要改变比例系数就能改变输出电压,且u与u0的方向相同,同向比例电路对集成运放的共模抑制比要求高。
(c)差动比例电路
差动比例电路如图5所示,输入信号分别加在反相输入端和同相输入端:
图5差动比例电路电路图
其输入和输出的关系为:
Rf
Uo](Uj2UM)
可以看出它实际完成的是:
对输入两信号的差运算。
⑵和/差电路
(a)反相求和电路
其电路图如图6所示(输入端的个数可根据需要进行调整)
图6反相求和电路图
其中电阻R'
满足:
R'
R//R2//R3//R
它的输出电压与输入电压的关系为:
i1
R2
Ui2
i3
它的特点与反相比例电路相同,可以十分方便的通过改变某一电路的输入电阻,来改变电路的比例关系,而不影响其它支路的比例关系。
(b)同相求和电路
其电路如图7所示(输入端的个数可根据需要进行调整):
图7同向求和电路图
Uo
RfUi1
Ra
Rb
Ui3
Rc
它的调节不如反相求和电路,而且它的共模输入信号大,因此它的应用不很广泛。
(c)和差电路
其电路图如图8所示,此电路的功能是对U1、U2进行反相求和,对U3、U4进行同相求和,然后进行的叠加即得和差结果。
图8和差电路图
它的输入输出电压的关系是:
Ui4
R4
um
i2
由于该电路用一只集成运放,
它的电阻计算和电路调整均不方便,
因此我们
常用二级集成运放组成和差电路。
它的电路图如图9所示:
图9二级集成和差电路图
它的后级对前级没有影响(采用理想的集成运放),它的计算十分方便。
⑶积分电路和微分电路
(a)积分电路
其电路图如图10所示:
它是利用电容的充放电来实现积分运算,可实现积分运算及产生三角波形等。
它的输入、输出电压的关系为:
itl
uct
u0uidt
0RCi
to
其中:
肚C£
』表示电容两端的初始电压值•如果电路输入的电压波形是方形,产生三角波形输出。
(b)微分电路
11
微分是积分的逆运算,它的输出电压与输入电压呈微分关系。
电路如图所示:
图11微分电路图U0R
£
窣.
以口二一兄*—-7?
?
qi——AC*——
°
zcdt
(4)对数和指数运算电路
(a)对数运算电路
对数运算电路就是是输出电压与输入电压呈对数函数。
我们把反相比例电路
中Rf用二极管或三级管代替级组成了对数运算电路。
电路图如图12所示:
图12对数运算电路
它的输入、输出电压的关系为(也可以用三级管代替二极管)
U0
Urln
Ui
RIs
(b)指数运算电路
指数运算电路是对数运算的逆运算,将指数运算电路的二极管(三级管)与电阻R对换即可。
电路图如13所示:
图13指数运算电路
ui
UoISReur
利用对数和指数运算以及比例,和差运算电路,可组成乘法或除法运算电路和其它非线性运算电路
(二)无源滤波电路
滤波电路的作用:
允许规定范围内的信号通过;
而使规定范围之外的信号不能通过。
滤波电路的分类:
*低通滤波器:
允许低频率的信号通过,将高频信号衰减;
*高通滤波器:
允许高频信号通过,将低频信号衰减;
*带通滤波器:
允许一定频带范围内的信号通过,将此频带外的信号衰减;
*带阻滤波器:
阻止某一频带范围内的信号通过,允许此频带以外的信号衰减;
仅由无源元件(电阻、电容、电感)组成的滤波电路,为无源滤波电路。
它有很大的缺陷如:
电路增益小,驱动负载能力差等。
为此我们要学习有源滤波电路。
(三)有源滤波电路12
有源滤波器是指利用放大器、电阻和电容组成的滤波电路,可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面。
但因受运算放大器频带限制,这种滤波器主要用于低频范围。
D
(1)一阶有源低通滤波器
其电路如图14-a所示,它是由一级RC低通电路的输出再接上一个同相输入比例放大器构成,幅频特性如图14-b所示,通带以外以20dB/十倍频衰减:
123
图14-a一阶有源低通滤波电路
该电路的传递函数为:
图14-b一阶有源低通幅频特性
Av(j)
Vo(j)
Vi(j)
式中0称为截止角频率,传递函数的模为Av(j)
RC1(o)2
幅角为(°
)arctg0。
(2)二阶有源滤波电路
为了使输出电压以更快的速率下降,以改善滤波效果,再加一节RC低通滤波环节,称为二阶有源滤波电路。
它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。
二阶有源滤波器的典型结构如图15所示:
图15二阶有源滤波器典型结构
刃
图中,Yl〜Y5为导纳,考虑到UP=UN,可列出相应的节点方程式为:
在节点A有:
(UaUpM0
(UaUJY1(UaUo)Y2UaY3
在节点B有:
(Up
联立以上二等式得:
Ua)Y4UpY5
Up
丫4丫5
丫4)(丫1
丫2丫3丫4)丫4
UiYiU0Y20
考虑到:
UnUo(rRaR
RaRb
则:
Uo(S)
A(S)
仏丫1丫4
Ui(S)丫5(丫1丫2丫3丫4)丫1YJ1Auf)Y3Y4
A(S)即是二阶压控电压源滤波器传递函数的一般表达式。
只要适当选择Y(i=1〜5),就可以构成低通、高通、带通等有源滤波器。