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各种运算放大器应用电路详解

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AMoftss 发表于 2018-9-26 14:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
运算放大器应用

§8.1 比例运算电路

8.1.1 反相比例电路

1. 基本电路

电压并联负反馈输入端虚短、虚断


特点:

反相端为虚地,所以共模输入可视为 0,对运放共模抑制比要求低 输出电阻小,带负载能力强 要求放大倍数较大时,反馈电阻阻值高,稳定性差。 如果要求放大倍数 100,R1=100K,Rf=10M


2. T 型反馈网络

虚短、虚断

8.1.2 同相比例电路

1. 基本电路:电压串联负反馈

输入端虚短、虚断

特点:
输入电阻高,输出电阻小,带负载能力强
V-=V+=Vi,所以共模输入等于输入信号,对运放的共模 抑制比要求高

2. 电压跟随器


输入电阻大输出电阻小,能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小

§8.2 加减运算电路

8.2.1 求和电路

1. 反相求和电路 虚短、虚断




特点:调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系

2. 同相求和电路 虚短、虚断



8.2.2 单运放和差电路


8.2.3 双运放和差电路


例 1:设计一加减运算电路 设计一加减运算电路,使 Vo=2Vi1+5Vi2-10Vi3


解:用双运放实现


如果选 Rf1=Rf2=100K,且 R4= 100K

则:R1=50K              R2=20K              R5=10K

平衡电阻 R3= R1// R2// Rf1=12.5K              R6=R4//R5//Rf2= 8.3K

例 2:如图电路,求 Avf,Ri

解:


§8.3 积分电路和微分电路

8.3.1 积分电路 电容两端电压与电流的关系:



积分实验电路


积分电路的用途

将方波变为三角波(Vi:方波,频率 500Hz,幅度 1V)


将三角波变为正弦波(Vi:三角波,频率 500Hz,幅度 1V)


(Vi:正弦波,频率 500Hz,幅度 1V)


思考:输入信号与输出信号间的相位关系?

(Vi:正弦波,频率 200Hz,幅度 1V)


思考: 输入信号频率对输出信号幅度的影响?

积分电路的其它用途: 去除高频干扰 将方波变为三角波 移相


在模数转换中将电压量变为时间量


§8.3 积分电路和微分电路

8.3.2 微分电路


微分实验电路


把三角波变为方波

(Vi:三角波,频率 1KHz,幅度 0.2V)


输入正弦波

(Vi:正弦波,频率 1KHz,幅度 0.2V)


思考:输入信号与输出信号间的相位关系?

(Vi:正弦波,频率 500Hz,幅度 1V)


思考:输入信号频率对输出信号幅度的影响?

§8.4 对数和指数运算电路

8.4.1 对数电路


对数电路改进 基本对数电路缺点:


运算精度受温度影响大;
小信号时 exp(VD/VT)与 1 差不多大,所以误差很大;

二极管在电流较大时伏安特性与 PN 结伏安特性差别较大,所以运算只在较小的电流范 围内误差较小。


改进电路 1:用三极管代替二极管


电路在理想情况下可完全消除温度的影响


改进电路 3:实用对数电路

如果忽略 T2 基极电流, 则 M 点电位:


8.4.2 指数电路

1. 基本指数电路


2. 反函数型指数电路              电路必须是负反馈才能正常工作,所以:


§8.5 乘除运算电路

8.5.1 基本乘除运算电路

1. 乘法电路




乘法器符号

同相乘法器              反向乘法器


2. 除法电路


8.5.2. 乘法器应用

1. 平方运算和正弦波倍频


如果输入信号是正弦波:


只要在电路输出端加一隔直电容,便可得到倍频输出信号。

2. 除法运算电路

注意:只有在 VX2>0 时电路才是负反馈

负反馈时,根据虚短、虚断概念:

3. 开方运算电路


输入电压必须小于 0,否则电路将变为正反馈。

两种可使输入信号大于 0 的方案:


3. 调制(调幅)


4. 压控增益 乘法器的一个输入端接直流电压(控制信号),另一个接输入信号,则输出信号与输入
信号之比(电压增益)成正比。 V0=KVXvY




电流-电压变换器

由图可知


可见输出电压与输入电流成比例。 输出端的负载电流:


电流-电压变换电路


若Rl 固定,则输出电流与输入电流成比例,此时该电路也可视为电流放大电路。

电压-电流变换器


负载不接地              负载接地

由负载不接地电路图可知:

所以输出电流与输入电压成比例。

对负载接地电路图电路,R1 和 R2 构成电流并联负反馈;R3、R4 和 RL 构成构成电压串联 正反馈。






讨论:
1. 当分母为零时, iO →∞,电路自激。

2. 当 R2 /R1 =R3 /R4 时, 则:

说明 iO 与 VS 成正比 , 实现了线性变换。

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。


§8.6 有源滤波电路

8.6.1 滤波电路基础知识

一. 无源滤波电路和有源滤波电路

无源滤波电路: 由无源元件 ( R , C , L ) 组成


有源滤波电路: 用工作在线性区的集成运放和 RC 网络组称,实际上是一种具有特定频 率响应的放大器。有源滤波电路的优点, 缺点: 请看书。


二. 滤波电路的分类和主要参数

1. 按所处理的信号可分为模拟的和数字的两种;

2. 按所采用的元器件可分为有源和无源;

3. 按通过信号的频段可分为以下五种:
a. 低通滤波器( LPF ) Avp: 通带电压放大倍数 fp: 通带截至频率



没有过渡带
过渡带: 越窄表明选频性能越好,理想滤波器


b. 高通滤波器( HPF )

c. 带通滤波器( BPF )


d. 带阻滤波器( BEF )


e. 全通滤波器( APF )

4. 按频率特性在截止频率 fp 附近形状的不同可分为 Butterworth , Chebyshev 和

Bessel 等。 理想有源滤波器的频响:



滤波器的用途

滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分,例如,有一个较低频率的信号,其中包含 一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。



§8.6 有源滤波电路

8.6.2 低通滤波电路 ( LPF )

低通滤波器的主要技术指标

(1)通带增益 Avp 通带增益是指滤波器 在通频带内的电压放大 倍数,如图所示。性能良好的 LPF 通带内的幅


频特性曲线是平坦的,

阻带内的电压放大倍数 基本为零。

(2)通带截止频率 fp 其定义与放大电路的上限截止频率相同。通带与阻带之间称为过渡带,过渡带越窄,说明滤 波器的选择性越好。


8.6.2.1 一阶低通滤波电路 ( LPF )

一. 电路构成


组成:简单 RC 滤波器同相放大器特点:│Avp │ >0,带负载能力强缺点:阻带衰减 太慢,选择性较差。


二. 性能分析 有源滤波电路的分析方法:


1.电路图→电路的传递函数 Av(s)→频率特性 Av(jω)

2. 根据定义求出主要参数

3. 画出电路的幅频特性


一阶 LPF 的幅频特性:


8.6.2.2 简单二阶 LPF

一. 电路构成


二. 主要性能

1. 传递函数:

组成: 二阶 RC 网络同相放大器 通带增益:




2.通带截止频率:              3.幅频特性:


特点:在 f>f0 后幅频特性以-40dB/dec 的速度下降; 缺点:f=f0 时,放大倍数 的模只有通带放大倍数模的三分之一。


8.6.2.3 二阶压控电压源 LPF

二阶压控电压源一般形式 二阶压控电压源 LPF


分析:Avp 同前


对节点 N , 可以列出下列方程:


联立求解以上三式,可得 LPF 的传递函数:


上式表明,该滤波器的通带增益应小于 3,才能保障电路稳定工作。

频率特性:


当 Avp≥3 时,Q =∞,有源滤波器自激。由于将 接到输出端,等于在高频端给 LPF 加 了一点正反馈,所以在高频端的放大倍数有所抬高,甚至可能引起自激。


二阶压控电压源 LPF 的幅频特性:




巴特沃思(压控)LPF

仿真结果

Q=0.707 fp=f0=100Hz


§8.6 有源滤波电路

8.6.2.4 无限增益多路反馈滤波器 无限增益多路反馈有源滤波器一般形式,要求集成运放的开环增益远大于 60DB




无限增益多路反馈 LPF

由图可知:


对节点 N , 列出下列方程:



通带电压放大倍数


频率响应为: 巴特沃思(无限增益)LPF



仿真结果


Q=0.707 fp=f0=1000Hz

8.6.3 高通滤波电路 ( HPF )

8.6.3.1 HPF 与 LPF 的对偶关系

1. 幅频特性对偶(相频特性不对偶)


2. 传递函数对偶 低通滤波器传递函数



高通滤波器传递函数

HPF 与 LPF 的对偶关系

3. 电路结构对偶


波作用的电容换成电阻 将起滤波作用的电阻换成电容
将起滤



低通滤波电路              高通滤波电路

8.6.3.2 二阶压控电压源 HPF


二阶压控电压源 LPF              二阶压控电压源 HPF

电路形式相互对偶

二阶压控电压源 HPF

传递函数:              低通:

高通:

二阶压控电压源 HPF

二阶压控电压源 HPF 幅频特性:


8.6.3.3 无限增益多路反馈 HPF

无限增益多路反馈 LPF

无限增益多路反馈 HPF

8.6.4 带通滤波器(BPF) BPF 的一般构成方法: 优点:通带较宽,通带截至频率容易调整 缺点:电路元件较多




仿真结果

二阶压控电压源 BPF


二阶压控电压源 BPF

传递函数:




截止频率:

RC 选定后,改变 R1 和 Rf 即可改变频带宽度

二阶压控电压源 BPF 仿真电路



仿真结果


8.6.5 带阻滤波器(BEF)

BEF 的一般形式              


缺点:电路元件较多且 HPF 与 LPF 相并比较困难。

基本 BEF 电路



无源带阻(双 T 网络)
同相比例


双 T 带阻网络



双 T 带阻网络

二阶压控电压源 BEF 电路

正反馈,只在 f0 附近起作用


传递函数



二阶压控电压源 BEF 仿真电路


仿真结果



例题 1:
要求二阶压控型 LPF 的 f0=400Hz , Q 值为 0.7,试求电路中的电阻、电容值。 解:根据 f0 ,选取 C 再求 R。

1. C 的容量不易超过 。 因大容量的电容器体积大, 价格高,应尽量避免使用。




计算出:R=3979Ω 取 R=3.9KΩ

2.根据Q值求和,因为时,根据与、的关系,集成运放两输入端外接电阻的对称条件



称条件。
根据 与 R1 、Rf 的关系,集成运放两输入端外接电阻的对



例题 1 仿真结果


例题与习题 2



LPF

例题与习题 2 仿真结果


例题与习题 3



HPF

例题与习题 3 仿真结果


例题与习题 4



例题与习题 4 仿真结果


vo1 :红色
vo :蓝色

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CZ1 + 10 绝世好帖!
tieq1952 + 12 赞一个!

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tieq1952 发表于 2018-9-27 07:26 | 显示全部楼层
谢谢分享!!!
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zjczm 发表于 2018-11-28 11:01 | 显示全部楼层
这个文档内容比较丰富。下载了。模拟的东西,学起来感觉有点难啊。
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xlyuan 发表于 2018-11-30 15:16 | 显示全部楼层
下载有空学习
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pevil1039 发表于 2019-3-21 10:00 | 显示全部楼层
谢谢楼主的分享
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王秋冬 发表于 2019-3-27 08:11 | 显示全部楼层
谢谢分享,都是好东西,下载学习。
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独霸一方 发表于 2019-4-19 19:34 | 显示全部楼层
对我这种小白来说在合适不过了
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ystz001 发表于 2019-7-5 18:38 | 显示全部楼层
好东西  收藏了   突然觉得应该重新学习了
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shengzhidao 发表于 2019-7-9 12:21 | 显示全部楼层
好东西  收藏了   突然觉得应该重新学习了
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tlahanbing 发表于 2019-7-10 14:09 | 显示全部楼层
谢谢分享,很全面
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winkle 发表于 2019-7-11 10:20 | 显示全部楼层
很丰富,很全了
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liu668 发表于 2019-7-12 09:00 | 显示全部楼层
很棒的资料。
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芝华塔尼欧 发表于 2019-7-18 12:23 | 显示全部楼层
内容很丰富,非常棒,谢谢分享
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winkle 发表于 2019-7-21 12:45 | 显示全部楼层
很不错的资料,重新把放大器学习一下
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小黑屋525 发表于 2019-7-31 08:35 | 显示全部楼层
下载了,好东西
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tianvok 发表于 2019-8-15 11:41 | 显示全部楼层
很好很好很好
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wcs1668 发表于 2019-8-25 10:31 | 显示全部楼层
纯理论性东西,可以看看
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wubangdi 发表于 2019-9-5 15:54 | 显示全部楼层
学习学习
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zx7504081 发表于 2019-10-12 17:19 | 显示全部楼层
大佬牛逼
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239144498 发表于 2019-10-23 17:34 | 显示全部楼层
感谢,学习了
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xydrj 发表于 2019-11-30 11:24 | 显示全部楼层
各种运算放大器应用电路详解,mark。
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iyny 发表于 2019-12-4 19:17 来自手机 | 显示全部楼层
谢谢分享!
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匹夫艺人 发表于 2019-12-6 11:34 | 显示全部楼层
这个很全唉,只是积分不够。学习了
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huafeixue8 发表于 2019-12-9 11:53 | 显示全部楼层
很棒的资料。
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kangjie 发表于 2019-12-10 15:47 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享
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hgd_2018 发表于 2019-12-28 17:06 | 显示全部楼层
谢谢分享,知识蓄备。
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单片机小白树 发表于 2019-12-29 14:41 | 显示全部楼层
总结的很详细,下载了
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淡定120 发表于 2020-1-9 15:11 | 显示全部楼层
谢谢分享!!!
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淡定120 发表于 2020-1-9 15:17 | 显示全部楼层
谢谢分享!!!!
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1539703473 发表于 2020-1-12 13:07 | 显示全部楼层
多谢楼主。好资料
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dhz0105 发表于 2020-5-17 15:44 | 显示全部楼层
感谢分享,收藏了
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omegrugal 发表于 2020-5-19 11:20 | 显示全部楼层
各种运算放大器应用电路详解好资料,天天学习,每天一小小步。
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weision168 发表于 2020-5-23 15:05 | 显示全部楼层
多谢分享
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cangbai__001 发表于 2020-6-18 10:58 | 显示全部楼层
感谢大佬,爱了爱了
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廖恒 发表于 2020-6-19 13:16 | 显示全部楼层
第一次看到这么全的运放资料,感谢
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FJ2018 发表于 2020-11-6 17:20 | 显示全部楼层
真是很好的资料,谢谢楼主
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fanjx 发表于 2020-11-6 19:45 | 显示全部楼层
讲得特详细,学习了,多谢楼主!
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hyang 发表于 2020-11-19 12:21 | 显示全部楼层
厉害!!!!
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关中小河 发表于 2020-11-23 21:46 | 显示全部楼层
很好的资料,可以推荐学生们
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xtaozi001 发表于 2020-11-24 14:08 | 显示全部楼层
真是太棒了,太牛了!
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