运算放大器基本原理及应用.doc

运算放大器基本原理及应用一. 原理(一) 运算放大器 , 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。 2. 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。 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 i1 fOUR RU??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: )U(U R RU i1 i2 1 fO???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: f321 ' // // //RRRRR?它的输出电压与输入电压的关系为: i1 fO)U R R(1 U