模拟电子线路(模电)运放运算电路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,集成运放运算电路,1 比例运算电路,2 加法与减法电路,3 积分与微分电路,4 对数与指数电路,5,基本应用电路,一.比例运算电路,1.反相比例运算电路,“虚短”与“虚断”,倒相器,2.同相比例运算电路,“虚短”与“虚断”,电压跟随器,例,在图示电路中，已知,R,1,=100k，,R,f,=200k，,R,2,=100k，,R,3,=200k，,u,i,=1V，求输出电压,u,o,。,1.加法电路,(1)反相加法器,方法一：“虚短”+“虚断”,二.加法和减法电路,方法二,：,叠加定理,由同相比例运算电路得：,由“虚断”得：,（2）同相加法电路,叠加定理,（二）减法器,2、差动减法器,u,i1,作用,u,i2,作用,综合：,输出电压和输入电压的关系如下：,R,f1,/,R,1,=2、,R,f1,/,R,2,=5、,R,f1,1/,R,3,=1,取,R,f1,=,R,f2,=,R,4,=10k，,则,R,1,5k，,R,2,2k，,R,3,=10k，,R,1,=,R,1,R,2,R,3,R,f1,，,R,2=,R,4,R,f2,=,R,f2,/2。,解,此题的电路模式应为,U,o,=,U,i1,+2,U,i2,-5,U,i3,-,U,i4,，利用两个反相加法器可以实现加减法运算。,如果取,R,f1,=,R,f2,=10k，则,R,1,10k，,R,2,5k,，,R,3,2k，,R,4,10k，,R,1,=,R,1,R,2,R,f1,、,R,2,=,R,3,R,4,R,f2,/2。,由于两级电路都是反相输入运算电路，故不存,在共模误差。,例,：,电路如，求输出电压,U,o,。,解：,又,所以,1.积分运算电路,积分运算电路,三.积分和微分电路,当输入信号是阶跃直流电压,U,I,时，即,由上式可以看出，当输入电压固定时，由集成运放构成的积分电路，在电容充电过程（即积分过程）中，输出电压（即电容两端电压）随时间作线性增长，增长速度均匀。,而简单的RC积分电路所能实现的则是电容两端电压随时间按指数规律增长，只在很小范围内可近似为线性关系。从这一点来看，集成运放构成的积分器实现了接近理想的积分运算。,解:,当u,o,=U,om,=-15V时，,计算结果表明，积分运算电路的输出电压受到运放最大输出电压U,om,的限制。当u,o,达到U,om,后就不再增长。,例:积分电路，R,1,=20 k，C=1F，u,i,为一正向阶跃电压,ui=0,t0,时,v,O,0,D,1,、,D,2,v,O,=0,v,I,0,D,1,、,D,2,v,O,=,-(,R,2,/,R,1,),v,I,工作原理：,v,O,v,I,-,R,2,/,R,1,传输特性,v,I,t,v,O,t,v,I,R,2,R,1,-,输入正弦波,输出半波,精密整流电路，一个周期内输出电压半周为0，半周与输入电压成比例。,设集成运放开环增益Ad为50万倍，二极管导通电压为0.7 V，则VD1导通时运放的差模输入电压为,u,d,=u,-,-u,+,=,上式说明，折算到运放输入端，仅1.4V就可使二极管V,D1,导通。同理，使V,D2,导通的电压也降到这个数量级。显然，这样的精密整流电路可对微弱输入信号电压进行整流。,精密转折点电路,当,v,-,0,，,即,v,I,-(,R,3,/,R,1,),V,R,时：,当,v,-,0,，,即,v,I,0,D,1,、D,2,传输特性,v,O,v,I,-,R,2,/,R,3,V,R,R,3,R,1,-,v,O,0,D,1,、D,2,v,O,=0,则,则,精密转折点电路实现非线性的函数,R,/,R,1,v,o1,-,+,A,1,V,R1,R,r,1,R,D,1,D,2,R,1,v,I,v,o2,-,+,A,2,V,R2,R,r,2,R,D,3,D,4,R,2,R,R,-,+,A,3,V,R3,R,r,3,R,D,5,D,6,R,3,R,v,o3,-,+,A,4,v,O,R,R,/,R,2,R,/,R,3,v,O,v,I,v,I1,v,I2,v,I3,传输特性,二、电压和电流转换电路,1、电流-电压变换器,2、电压-电流变换器,电压-电流,和,电流-电压,变换器广泛应用于放大电路和传感器的连接处，是很有用的电子电路。,1、电流-电压变换器（,I/U,）,输出端的负载电流,2、电压-电流变换器,（,U/I,）,(a)负载不接地,(b)负载接地,讨论：,1.当分母为零时，,i,O,，电路自激。,2.当,R,2,/,R,1,=,R,3,/,R,4,时,则,例1,由运放组成的晶体管,测量电路如下图，假设运放具有理想特性，晶体管的,V,BE,=0.7V.,(1)求出晶体管c、b、e,各极的电位；,(2)若电压表读数为200mV，求被测量晶体管的,值。,+,+,A,1,A,2,6k,10k,v,1,R,2,c,e,b,R,3,10k,R,1,v,2,(+6V),(+12V),V,电压表,解：,(1),v,C,=6V,v,B,=0V,v,E,=0.7V,(2),例2,下图电路中，,A,1,、,A,2,、,A,3,均为理想运放,R,3,C,=1ms.,v,i1,=0.1V,v,i2,=0.3V,为直流输入电压，在,t,=0,时加入。,(1)求,v,o1,，,v,o2,，,v,o3,；,(2),若,t,=0,时电容上,C,上的初始电压,u,C,(o)=0，,问需经多久时间使,u,o4,=5V？,+,+,R,2,R,3,R,1,v,o4,+,+,R,1,R,2,R,f,R,f,R,1,R,3,R,R,R,f,v,o2,v,i1,v,i2,v,o1,v,o3,C,R,2,解,：,(1),(2),例3,下图中,A,为理想运放，求,v,i,=0.3V,时,v,0,的值。,解：,v,+,=,v,=0.2V,v,o,=,v,M,+0.04,R,3,=0.4+0.0410=0.8V,+,R,2,v,o,i,R2,10k,20k,R,4,i,R4,R,1,R,5,R,6,10k,20k,0.3V,v,i,R,3,10k,10K,M,例4,下图所示电路中，假设各运放具有理想特性。,(1)指出,A,1,、,A,2,、,A,3,各组成什么电路；,(2)写出,v,01,、,v,02,、,v,03,的表达式。,+,R,3,+,+,A,3,A,2,A,1,10k,v,i,v,o3,10k,R,4,R,5,10k,10k,R,1,R,2,10k,v,o2,v,o1,解：,(1),A,1,：电压跟随器；,A,2,：反相求和电路；,A,3,：同相比例放大器。,(2),v,o1,=,v,i,例5,求下图所示电路的电压放大倍数,设,A,1,、,A,2,都是理想运算放大器。,+,10k,+,A,1,A,2,10k,100k,100k,10k,10k,100k,v,i,1,v,i,2,v,o,v,o1,对于,对于,例6：图示电路既能提高输入电阻，也能满足一定放大倍数的要求。根据运放工作在线性区的虚短和虚断两条分析依据，可以推出图示电路的闭环电压放大倍数为：,例7：,在图示电路中，已知,R,1,=100k，,R,f1,=200k，,R,f2,=200k，,R,f3,=1k，求：,（1）闭环电压放大倍数,A,uf,、输入电阻,r,i,及平衡电阻,R,2,；,（2）如果改用基本反相比例电路，要想保持闭环电压放大倍数和输入电阻不变，反馈电阻,R,f,应该多大？,解,（1）,闭环电压放大倍数为：,运放线性电路分析思路：,1，记住单元电路及其性质,2，理想运放在线性区特征：虚短，虚断,3，迭加定理,1.理想运放工作在线性区，具有虚短和虚断两个特点，虚短是指,，而虚断可用,表示。,A.,i+,=,i-,=0,B.,u,+=,u,-,2、由理想运算放大器A1、A2构成如图所示电路。（1）请说明由A1、A2分别构成什么电路，它们是否均存在虚地；（2）试写出UO1和UO的表达式。,解：（1）构成的反相比例运算电路存在虚地。构成同相比例运算电路，不存在虚地。（2）,R,U,O1,R,4,R,3,R,R,2,R,1,U,I,U,O,_,A,1,+,_,A,2,+,集成运放应用中的几个问题,在实际应用中，除了根据用途和要求正确选择运放的型号外，还必须注意以下几个方面的问题。,1.对集成运放的粗测,根据集成运放内部的电路结构，可以用万用表粗略测量出各引脚之间有无短路或开路现象，判断其内部有无损坏。测试时必须注意，不可用大电流挡（如R1()挡）测量，以免电流过大而烧坏PN结；也不可用高电压档（如R10 k档）测量，以免电压过高损坏组件。,2.调零问题,由于失调电压、失调电流的影响，使运放在输入为零时，输出不等于零。为此，必须采取调零措施予以补偿。有些运放设有调零端子，如F007的、脚。这时可选用精密的线绕电位器进行调零，如图所示。将两输入端的电阻接地，调整电位器，使输出电压为零。,有些集成运放未设调零端子，可采用辅助调零的办法加以解决。辅助调零实质上是在输入端额外引入一个与失调作用相反的直流电位，以此来抵消失调的影响。以（a）图为例，辅助直流电位经电位器R,P,、电阻R,1,引到了反相输入端，调节电位器触点，便可改变加至反相端的辅助直流电位，从而使得当输入信号为零时，输出电压u,o,亦为零。,3.消除自激问题,运放在工作时容易产生自激振荡。,为此，目前大多数集成运放内电路已设置了消振的补偿网络，有些运放引出有消振端子，用以外接RC消振网络。在实际使用时，还可按图4.3.28所示，在电源端、反馈支路及输入端联接电容或阻容支路，来消除自激。,4.保护措施,为防止电源极性接反，,可在正、负电源回路中顺接二极管。若电源接反，二极管因反偏而截止，等于电源断路，起到了保护运放的作用。如图4.3.29所示。,为防止输入差模或共模电压过高损坏集成运放的输入级，,可在集成运放输入端并接极性相反的两只二极管，从而使输入电压的幅度限制在二极管的正向导通电压之内，如图4.3.30 所示。不过，二极管本身的温度漂移会使放大器输出的漂移变大，应引起注意。,输出保护,是为了防止输出碰到过电压时使输出级击穿，可采用图4.3.31所示电路。输出正常时，双向稳压管未击穿，其相当于开路，对电路没有影响。当输出端电压大于双向稳压管稳压值时，稳压管被击穿，反馈支路阻值大大减小，负反馈加深，从而将输出电压限制在双向稳压管的稳压范围内。,1（A ）比例运算电路中集成运放两个输入端的电位等于输入电压。,A、同相 B、反相 C、减法,2理想运放电路如下图(a)、(b)所示，试计算各电路的输出电压值。,3，比例运算电路的输入电流等于零，而,比例运算电路的输入电流等于流过反馈电阻中的电流。,同相，反相,