运放三种输入方式的基本运算电路及其设计方法Word格式文档下载.docx
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后面几种运算电路都可在
比例电路的基础上发展起来演变得到。
v。
*Vi:
Vo=kVi(比例系数k即反馈电路增益AvF,vo=AfvJ
输入信号的接法有三种:
R2
Rf
_2
&
图
同相输入(电压串联负反馈)见图8.3
V6-C
图8.3
差动输入(前两种方式的组合)
讨论:
1)各种比例电路的共同之处是:
无一例外地引入了电压负反馈
2)分析时都可利用“虚短“和"
虚断“的结论:
ii=0、vn=vp。
见图8.4
3)A的正负号决定于输入Vi接至何处:
接反相端:
Af<
接同相端:
Avf>
0,见图8.5
8.5
作为一个特例,当Riis时Avf=1,电路成为一个电压跟随器如图8.6所示。
4)在同相比例电路中引入串联反馈,所以R很大,而反相比例电路弓I入并联负反馈,所以
R不咼。
5)由于反相比例电路中,N点是“虚地“点,Vn-0。
所以加在集成运放上的共模输入电压下
降至0;
而同相比例电路中,VN-vi,所以集成运放将承受较高的共模输入电压。
6)比例电路的同相端均接有R,这是因为集成运放输入级是由差放电路组成,它要求两
边的输入回路参数对称。
即,从集成运放反相端和地两点向外看的等效电阻等于反相端和地两
点向外看的等效电阻。
这一对称条件,对于各种晶体管集成运放构成的运算和放大电路是普遍适用的。
有时(例高
阻型运放)要求不严格。
例:
试用集成运放实现以下比例运算:
AF=Vo/Vi=0.5,画岀电路原理图,并估算电阻元件的参数
值。
解:
(1)Avf=0.5>
0,即V。
与Vi同相。
.••可采用同相比例电路。
但由前面分析可知,在典型的同
相比例电路中,Af》1,无法实现Af=0.5的要求。
(2)选用两级反相电路串联,则反反得正如图8.7所示。
使Avfi=-0.5,Avf2=-1。
即可满足题
目要求。
电阻元件参数见图8.8
、加法电路
Vo=klVs1+k2Vs2++knVsn
F面以图8.9为例推导输岀/输入之间的函数关系。
该电路的实质是多端输入的电压并联负反馈电路
根据虚地的概念,即:
Vi=0^vn-vp=0,ii=0
二节点A的电流普十爭一?
若%=^1=^则-%fH亠如
电路特点:
在进行电压相加时,能保证各Vs及Vo间有公共的接地端。
输岀Vo分别与各个Vs间的比例
系数仅仅取决于Rf与各输入回路的电阻之比,而与其它各路的电阻无关。
因此,参数值的调整比较方便。
1)求和电路实际上是利用“虚地“以及ii=0的原理,通过电流相加(if=ii+i2+…)来实现电压相加。
此加法器还可扩展到多个输入电压相加。
也可利用同相放大器组成。
2)输岀端再接一级反相器,则可消去负号,实现符合常规的算术加法。
同相放大器可直接
得岀无负号的求和。
但仅在R=R的严格条件下正确。
3)这个电路的优点是:
a.在进行电压相加的同时,仍能保证各输入电压及输岀电压间有公共的接地端。
b.由于"
虚地“点的"
隔离“作用,输岀vo分别与各个vsi间的比例系数仅仅取决于
输入回路的电阻之比,而与其它各路的电阻无关。
因此,参数值的调整比较方便。
使用方便。
Rf与各相应
二、减法电路
电路如图8.10所示,由反相比例电路得:
若取®
呻则…彳詁厂存
若再取冷厂g=码则九=舖-vj3)
考虑到
尺】
电路特点
a、只需一只运放,元件少,成本低.
才能保证一
b、由于其实际是差动式放大器,电路存在共模电压,应选用KcmR较高的集成运放
定的运算精度
c、阻值计算和调整不方便。
例1.试用集成运放实现求和运算。
1)vo=-(vsl+10Vs2+2Vs3)
2)v°
=1.5vsi-5vs2+0.1vs3
解⑴用反相求和电路形式(如图12)
R3i10k闸O—
o■
亠r20k
ffi8.12
由反相求和得;
与要求出灰可知应有:
RfRf
丄■1二・10二■2
R\氏2掩
又因为题目要求:
兔>
2k,
因此选&
=及贝!
J冷-2X1Q-20A:
T去1-■20上
珀=^Rf=10k
R=RlH&
Il&
RRf=20//2010II20
=L4乱
*k5t
解
(2)本题要求的运算关系中既有加法又有减法。
使用双集成运放的电路如图8.13
图8.13
①Vsi、Vs3加到A-组成反相求和电路,使Vo1=-(1.5vsl+0.1vs3)
②将Vol和Vs2加到A的反相端使
Vo=-(vol+5Vs3)
=1.5vsl+0.1vs3-5vS2
Rfi/Ri=1.5Rfi/R3=0.1
选Ri=2k,可得:
Rfi=3k,R3=30k
请证明图8.i4所示电路的输岀为
貝
6
卄
A
jm
r
S14
5-比=(2局+氏)¥
根据减法器吆=拿6^-稣)得
R\
该电路称为仪用放大器,其主要特点见P332〜333
三、积分电路
积分电路的应用很广,它是模拟电子计算机的基本组成单元。
在控制和测量系统中也常常用
到积分电路。
此外,积分电路还可用于延时和定时。
在各种波形(矩形波、锯齿波等)发生电路中,
积分电路也是重要的组成部分。
电路如图8.15所示。
图8.15
采用什么方法能使vo与Vi间成为积分关系呢?
首先想到的是利用电容C。
因为-
其中vc,ic分别为电容两端电压和流过的电流,C为电容容量。
所以如果能设法使电路的Vo*Vc,
而使Vixg则vo与Vi间也将成为积分关系。
以上的要求可以利用集成运放来实现,电路如图8.14
所示。
运放的反相端"
虚地"
vn=0,^vo=-Vc实现了第一个要求(v°
*vc);
又ic=ii=Vs/R实现了第二个要求(Vs^ic)
t=RC――积分电路的时间常数
2)将积分电路图8.16与反相比例电路比较,可以看岀基本积分电路也是在反相比例电路基础上演变而得.(将Rf换成C即可)
S8.16
3)如果在积分电路的输入端加上一个阶跃信号则可得到
即Vo随时间而直线上升,但增长方向与Vs极性相反。
增长速度正比于vs(输入电压的幅值)和1/T。
利用积分电路的上述特性,若输入信号是方波,则输岀将是三角波。
可见积分电路能将方
波转换成三角波。
当t增加时,|Vo|是否增加并趋于无穷?
显然不能。
它受到集成运放的最大输岀电压Vomax的
限制,当Vo等于正向或负向的最大值后,便达到饱和,不再继续增大。
积分电路具有延迟作用。
将Vo作为电子开关的输入电压,即输岀端接一电子开关,当Vo=6V
时电子开关动作。
设Vs在t=0,由0变为-3V,则Vo随t线性上升。
已知:
R=10kQ,C=0.05卩F,vc°
=0.
请算岀Vo=6v时所对应的时间T?
;
wfr-3加=6
104X0.05X10-6
=lniv
即延迟时间为1ms
4)在积分电路输入端加上一个正弦信号,vs=VmSin31,
则%=otdt
■COSflt
=sin(9tf+血)晶C7
Vo比vs领先90°
这个相差与3无关。
但幅度与积分电路的RC3有关,RC3增大,幅
度减小。
这就是积分电路的移相作用。
小结:
以上讨论的积分性能,均指理想情况而言。
实际的积分电路不可能是理想的,常常岀现积
分误差。
主要原因是实际集成运放的输入失调电压、输入偏置电流和失调电流的影响。
实际的
C存在漏电流等。
情况严重时甚至不能正常工作。
实际应用时要注意这些问题。
例1:
一求和--积分电路如图8.17所示。
(1)求Vo的表达式。
(2)设两个输入信号vsi,vs2皆为阶
跃信号如图8.18所示。
画岀Vo的波形
(1虚断:
ic=ii+i2
Vo=-Vc=-Vicdt
虚地:
二-[韵widt+盍J^adt]
1
£
0)
0.5
『0)
1
图8J8
(2)由图8.18可得当OWt<
0.5s,vsi=1(v),vs2=0
汗-拭dt
__2x105x10'
6=一§
t
当t>
0.5s时,vsi=1v,vs2=-1v,
Vo=_^2X105X10-^^lo5xiO_&
-^A
=5t+A
则其输岀波形如图8.19所示。
1
叫(Q
1
/
血)
25
图8.15>
四、微分电路
如图8.21所示。
讨论:
若Vs=k,则v°
=0(理想情况);
若Vs是一个直线上升的电压,则Vo=-K
选择电路结构形
例2:
用集成运放实现:
vo=5/(vsi-0.2vs2+3vs3)dt要求各路输入电阻大于100k,
式并确定电路参数值。
要求实现的运算关系中包含+、-、/运算。
采用两个集成运放结构:
如图8.22所示:
图8.22
Vo1=-(vsl+3Vs3)
再将Vol和Vs2加在A的反相端,
实现的是求和积分运算,
使Vo=-5/(voi+0.2vs2)dt
实现本题要求。
参数的计算:
=t
1r
1=5x02-1
J
rac
◎
=1,
s,
1=5,
1=5x0.2=l
选禺=lOO^tQp则阳==3Q0JtQ,再选%=WOW
鸟話化〃号=300//100r/300=60iQ
川&
=500//100=83.3M
具体电路如
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- 运放三种 输入 方式 基本 运算 电路 及其 设计 方法