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运算放大器应用电路的设计与制作

运算放大器应用电路的设计与制作运算放大器 1.原理运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时,可以灵活地实现各种特定的函数关系。

在线性应用方面,可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。

运算放大器一般由4个部分组成,偏置电路,输入级,中间级,输出级。

图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示图1是运算放大器的特性曲线,一般用到的只是曲线中的线性部分。

如图2所示。

U -对应的端子为“-”,当输入U -单独加于该端子时,输出电压与输入电压U -反相,故称它为反相输入端。

U +对应的端子为“+”,当输入U +单独由该端加入时,输出电压与U +同相,故称它为同相输入端。

输出:U 0= A(U +-U -) ; A 称为运算放大器的开环增益(开环电压放大倍数)。

在实际运用经常将运放理想化,这是由于一般说来,运放的输入电阻很大,开环增益也很大,输出电阻很小,可以将之视为理想化的,这样就能得到:开环电压增益A ud =∞;输入阻抗r i =∞;输出阻抗r o =0;带宽f BW =∞;失调与漂移均为零等理想化参数。

理想运放在线性应用时的两个重要特性输出电压U O 与输入电压之间满足关系式:U O =A ud (U +-U -),由于A ud =∞,而U O 为有限值,因此,U +-U -≈0。

即U +≈U -,称为“虚短”。

由于r i =∞,故流进运放两个输入端的电流可视为零,即I IB =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。

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: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 1 // R F 。

输出电压U 0与输入电压U i 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) 同向比例电路同向比例电路如图4所示,跟反向比例电路本质上差不多,除了同向接地的一段是反向输入端:图4 同相比例电路电路图i1fOU R R U -=它的输出电压与输入电压之间的关系为:;R’=R 1 // R F 只要改变比例系数就能改变输出电压,且U i 与U 0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:=-fO i2i11R U (U U )R 可以看出它实际完成的是:对输入两信号的差运算。

(2)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:f 321'//////R R R R R =它的输出电压与输入电压的关系为:i 1fO )U R R (1U +=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=33f22f 11f 0i i i U R R U R R U R R U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 同向求和电路图它的输出电压与输入电压的关系为: 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U i1、U i2进行反相求和,对U i3、U i4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: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:⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=c i b i ai R U R U R U R U 321f 0⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+=22114433f 0R U R U R U R U R U i i i i图9 二级集成和差电路图它的输入输出电压的关系是: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。

(3) 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。

图10 积分电路图它的输入、输出电压的关系为:其中: 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,则产生三角波形输出。

(b)微分电路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11所示:0101=+-=⎰t ct t i u dt u RCu图11 微分电路图它的输入、输出电压的关系为:(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):(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 指数运算电路它的输入、输出电压的关系为:Sir RI u U u ln 0-≈riu u S I u Re0-=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。

式中RC 10=ω称为截止角频率,传递函数的模为2)(1)(o vo v A j A ωωω+=幅角为00arctg ωωωϕ-=)(。

(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图中,Y 1~Y 5为导纳,考虑到U P =U N ,可列出相应的节点方程式为: 在节点A 有:在节点B 有:联立以上二等式得:考虑到:则: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 (i =1~5),就可以构成低通、高通、带通等有源滤波器。

)()()(4321=-++-+-Y U U Y U Y U U Y U U P A A O A i A 0)(54=+-Y U Y U U P A P 0))((2144321454=--⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++++Y U Y U Y Y Y Y Y Y Y Y U O i P )(ba aO N P R R R U U U +=≈[]43214321541)1()()()()(Y Y A Y Y Y Y Y Y Y Y Y A s U S U S A UF UF i O +-+++++==二、运算放大器的偏置设置在双电源运放在接成单电源电路时,工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择,比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好?有的网友建议用参考电压源,理由是精度高,此外还能提供较低的交流旁路,有的网友建议用电阻,理由是成本低而且方便,对此,张世龙没有特别指出用何种方式,只是强调双电源运放改成单电源电路时,如果采用基准电压的话,效果最好。

这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。

但若采用电阻分压方式,必须考虑电源纹波对系统的影响,这种用法噪声比较高,PSRR比较低。

三、如何解决运算放大器的零漂问题?有网友指出,一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换,可是在传感器动态工作时,电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生,如何解决这个问题?对此,网友“Frank”分析道,有几种可能性会导致零漂:1)反馈电容ESR特性不好,随电荷量的变化而变化;2)反馈电容两端未并上电阻,为了放大器的工作稳定,减少零漂,在反馈电容两端并上电阻,形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点;3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高,造成电荷泄露,导致零漂。

运算放大器设计与应用1.用运算放大器做正弦波振荡有哪些经典电路问:用运算放大器做正弦波振荡器在学校时老师就教过,应该是一个常用的电路。

现在我做了几款,实际效果都不理想。

哪位做过,可否透露些经验或成功的电路?答:(1)用以下方法改进波形质量:选用高品质的电容;对运放的电源进行去耦设计;对震荡器的输出信号进行滤波处理。

(2)我曾经在铃流源电路中用到一种带有AGC电路的文氏电桥振荡器,用来产生25Hz的正弦波,如图所示。

图中使用二极管限幅代替非线性反馈元件,二极管通过对输出电压形成一个软限幅来降低失真。

文氏电桥或低失真的特性要求有个辅助电路来调节增益,辅助电路包括从在反馈环路内插入的一个非线性元件,到由外部元件构成的自动增益控制(AGC)回路。

通过D1对正弦波的负半周取样,且所取样存于C1中,选择R1和R2,必须使Q1的偏置定在中心处,使得输出电压为期望值时,(RG+RQ1)=RF/2。

当输出电压升高时,Q1增大电阻,从而使增益降低。

在上图所示的振荡器中,给运算放大器的正输入端施加0.833V电源,使输出的静态电压处在中心位置处(Vcc/2=2.5V),这里Q1多数用的是小信号的MOSFET 2N7000(N沟道,60V,7.5欧),D1则选用1N4148。

以上供你参考。

(3)为克服RC移相振荡器的缺点,常采用RC串并联电路作为选频反馈网络的正弦振荡电路,也称为文氏电桥振荡电路,如图Z0820所示。

它由两级共射电路构成的同相放大器和RC串并联反馈网络组成。

由于φA= 0,这就要求RC串并联反馈网络对某一频率的相移φF=2nπ,才能满足振荡的相位平衡条件。

下面分析RC串并联网络的选频特性,再介绍其它有关元件的作用。

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