基本运算电路专业知识讲座.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,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,运算电路,要求,1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及,放大倍数公式。,2.掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。,3.会用,“虚开路(,i,i,=0)”和“虚短路(,u,+,=,u,),”,分析给定,运算电路的 放大倍数。,概 述,集成运放的基本应用电路，主要包括加法、减法、微分、,积分运算电路。,在分析各种运算和处理电路时，由运放构成的电路通常工作在深度负反馈条件下，常用到以下两个概念：,1.集成运放两个输入端之间的电压通常接近于零，,即虚短。,2.集成运放输入电阻很高，两输入电流几乎为零，,即虚断。,理想运放的性能指标,A,+,-,开环差模增益,A,od,=,差模输入电阻,R,id,=,输出电阻,R,o,=0,共模抑制比,K,CMR,=,上限截止频率,f,H,失调电压,U,oi,、,失调电流,I,oi,、,电压温漂,、,电流温漂,，,理想时均为0,。,最大共模输入电压,U,icmax,、最大差模输入电压,U,idmax,、,转换速率,S,R,等。,在分析时将一般运放看成理想运放。,理想运放的工作区,理想运放的工作区域一般分,为两个：,线性工作区和非线性工作区。,A,u,o,u,i,-,u,i+,u,id,1、线性工作区,运放工作在线性工作,区时，其输出电压,u,o,与差模电压成线性关,系。即,由于理想运放,A,od,=,，而,u,o,又为有限值，故以上关系式中,即,这就是理想运放的一个重要特征，称为,“虚短路”,。,即两输入端电压无限接近。,由于理想运放的,R,id,，而,U,id,0,，故两输入端电流,也为0。即,这一个特征称为,“虚断路”,。即两输入端电流趋近于0。,+,u,i,u,O,I,-,I,+,U,-,U,+,U,+,U,-,虚短：,I,+,I,-,=,0,虚断：,虚地：,U,-,U,+,=0,R,P,R,N,通常应使R,P,=R,N,，,R,N,为限流电阻；,R,P,为平衡,电阻。,对于工作在线性区的运放，“虚短”和“虚断”特性是分析,运放电路输出、输入关系的重要基础。,对于理想运放，只要在运放的输入端施加很小的差模电,压，,u,o,就会有一个接近电源电压的输出值。因此必须在,运放的输出端和输入端之间引入一个负反馈，从而保证,输出与输入成线性关系。,因此有无负反馈是判断运放电路工作在线性,区的重要特征。,所有工作在运算电路和放大电路中的运放都是,工作在线性区。,v,0,v,om,0,v,P,-,v,N,-v,om,2、非线性工作区,如果运放工作时不接反馈,或接入正反馈时，其输出,将为,V,om,，此时输出与输,入电压为非线性关系。称运,放工作在非线性区。其电,压传输特性如图,当,u,i+,u,i-,时，,u,o,=V,om,当,u,i+,u,i-,时，,u,o,=V,om,尽管,u,o,为有限值，由于运放,R,i,=,，故,i,+,=i,-,=0,，,仍然为“虚断”。,基本运算电路,比例运算电路,反相比例运算电路,同相比例运算电路,电压跟随器,加减运算电路,反相求和电路,同相求和电路,差分电路,其他运算电路,指数运算电路,对数运算电路,乘法运算电路,除法运算电路,微积分运算电路,微分运算电路,积分运算电路,反相比例运算电路,u,o,R,f,R,1,R,P,u,i,i,1,i,f,A,N,P,结构特点：,输入电压,u,i,通过,R,1,加入运放反向输,入端，故输出,u,o,与输入,反相位。,负反馈,R,f,引到反相输,入端，为电压并联,负反馈。,R,p,为平衡电阻，以保,证运放差分输入的对,称性。其值为,u,i,=0,时，,u,o,=0,输入端的等效电,阻。故,R,p,=R,1,/R,f,。,对理想运放，,u,N,=u,P,，i,N,=i,P,=0,，,有,i,1,=i,f,即,由于,虚地,整理得：,比例系数,（,放大倍数,）,电路的输入电阻,电路的输出电阻,R,i,R,1,R,o,0,反相比例电路的特点：,1.共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比,要求低。,2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为,是0，因此带负载能力强。,3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对,输入电流有一定的要求。,4.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。,同相比例运算电路,R,f,R,1,R,P,u,i,u,o,A,i,R,i,f,N,P,结构特点：,负反馈引到,反相输入端，信号从同,相端输入。,反馈方式：电压串,联负反馈。输入电,阻较高。,对理想运放，,u,P,=u,N,，i,N,=i,P,=0,，有,即,整理得：,u,o,与,u,i,同相且大,于,u,i,。,同相比例电路的特点：,1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，,因此带负载能力强。,2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。,3.共模输入电压为,u,i,，不为零,因此对运放的共模抑,制比要求高。,4.,R,f,=0 或,R,1,=,时，A,uf,=1,输出电压全部引到反相,输入端，信号从同相端输入。,电压跟随器是同相比,例运算放大器的特例。,反相加法运算电路,R,12,_,+,R,f,R,11,u,i,2,u,o,R,P,u,i,1,如图所示为实现两个,输入电压,u,i1,、,u,i1,的,反相加法电路，该电,路为多输入的电压并,联负反馈电路。由于,电路存在虚短，运放的,净输入电压,u,id,=0,，反相端为虚地。,平衡电阻：,实际应用时可依需要改变输入端的个数，以适应不,同的运算要求。,i,12,i,F,i,11,R,12,R,f,R,11,u,i,2,u,o,R,P,u,i,1,P,N,_,+,调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入,电压和输出电压的比例关系，故该电路可实现不同量纲输,入电压的求和运算。当,R,f,=R,11,=R,12,时，,同相求和运算,R,1,R,f,u,i1,u,o,R,21,R,22,u,i2,_,+,将多个输入电压加到,运放的同相输入端，,就构成同相加法电路。,根据虚地原则，有,可以看出，改变,R,21,、R,22,会影响电路的输入电阻，,因此该电路对输入电压的调整作用没有反向加法,电路方便。,R,1,R,f,u,i1,u,o,R,21,R,22,u,i2,_,+,如果以,u,P,为输入，则同相,比例电路输出电压为：,由,虚短、,虚断原则：,u,P,=u,N,、,i,P,=i,N,=0,同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，,不能单独调整。,减法运算电路,利用反相求和实现减法运算电路,-,R,f,1,+,u,i,2,u,o,1,R,2,u,i,1,R,1,R,3,-,R,f,2,+,u,o,R,2,R,4,A,1,A,2,该电路第一级为反相比例电路，第二级为反相加,法电路组成。,-,R,f,1,+,u,i,2,u,o,1,R,2,u,i,1,R,1,R,3,-,R,f,2,+,u,o,R,2,R,4,A,1,A,2,将,u,o1,代入，整理得,选择,R,f2,=R,2,，R,f1,=R,1,，则,利用差分电路实现减法运算电路,R,1,R,f,-,+,R,2,R,3,u,i1,u,i2,u,o,如图电路，该电路,利用了同相比例与,反相比例相结合的,运算方法。,根据运放的虚短虚断原则，有,当,R,1,=R,2,=R,3,=R,f,，则上式可写为,R,2,R,f,R,1,u,i,2,u,o,u,i,1,R,4,u,i,4,u,i,3,R,3,R,6,_,+,由于,u,P,=u,N,整理得：,_,+,R,2,R,1,R,1,u,i,2,u,o,R,2,u,i,1,差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不,高（=,2,R,1,）,这是由于反相输入造成。因此应选用较高,K,CMR,的运放。,利用三运放组成加减运算电路,u,o,2,+,A,A,R,R,R,W,u,i,1,u,i,2,u,o,1,a,b,+,R,1,R,1,A,R,2,R,2,+,u,o,2,+,A,A,R,R,R,W,u,i,1,u,i,2,u,o,1,a,b,+,虚短路：,虚开路,R,1,R,1,A,R,2,R,2,+,三运放电路是差动放大器，,放大倍数可变。,由于输入均在同相端，,此电路的输入电阻高。,比例运算电路与加减运算电路小结,1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。,2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻较小，同相,输入的输入电阻较高。,3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。,4.以上放大器均可级联,级联时各级放大倍数独立,计算。,积分微分运算电路,反相积分运算电路,u,i,+,R,R,2,C,u,o,i,1,i,F,该电路是在基本反相比例,运算电路基础上将反馈电,阻用电容C取代后得到。,根据虚地原则，有,式中,u,0,(t,0,),为电容在初始时刻的电压值。,实用中一般在,C,上并联一电阻,R,f,，以防止对低频和直流,信号输入时,A,d,过大起到限幅作用。,同相积分运算电路,i,1,u,i,+,R,R,C,f,u,o,C,i,R,如果将输入信号按同相比例,电路接法从同相输入，并将,反馈电阻和平衡电阻用电容,C,取代，便构成同相积分电,路。,在反相输入端，有,i,1,u,i,+,R,R,C,f,u,o,C,i,R,在同相输入端，有,由于,u,P,=u,N,，取,C=C,f,，则=，即,实现了同相积分。,对于输入信号的不同，积分电路可表现出不同的输,出特性：,t,u,i,0,t,u,o,0,t,u,i,0,t,u,o,0,若输入为阶跃信号，则积分电路表,现为与输入成线性关系增长直到,C,充电结束，使运放进入饱和状态。,充电时间,=RC。,若输入为方波信号，则积分电路,表现为充电与放电交替进行的状,态（理想），对外表现为三角波。,积分电路的主要用途：,1.在电子开关中用于延迟。,2.波形变换。例：将方波变为三角波。,3.A/D转换中，将电压量变为时间量。,4.移相。,微分运算电路,如果将积分电路中,R,和,C,的,位置互换，便构成基本微,分电路。它是积分的逆运,算。,根据虚断原则，有,当输入电压,u,s,为阶跃信号,时，输出电压仍为一个有,限值，随着,C,的充电。,u,o,将逐渐地衰减，最后趋近,于零。,该电路说明微分电路对输入信号特别敏感，故它的抗干,扰能力差。另外，对反馈信号具有滞后作用的,RC,环节，,与集成运放内部电路的滞后作用叠加在一起，可能引起,自激振荡。再者,u,i,突变时，输入电流会较大，输入电流,与反馈电阻的乘积可能超过集成运放的最大输出电压，,有可能使电路不能正常工作。,改进型的微分电路如,图所示。其中,R,1,起限,流作用，,R,2,和,C,2,并联,起相位补偿作用。该,电路是近似的微分电,路。,谢谢,