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经典运算放大器电路图-基本运算放大电路图-运算放大器

08-16 热文

范文一:运算放大器

运算放大器基本上可以算得上是模拟电路的基本需要了解的电路之一,而要想更好用好运放,透彻地了解运算放大器工作原理是无可避免,但是运放攻略太多,那不妨来试试这篇用电路图作为主线的文章来带你领略运算放大器的工作原理吧。

1.运算放大器工作原理综述:

运算放大器组成的电路五花八门,令人眼花了乱,在分析运算放大器工作原理时倘没有抓住核心,往往令人头大。本文收集运放电路的应用电路,希望看完后有所收获。但是在分析各个电路之前,还是先回忆一下两个运放教材里必教的技能,就是“虚短”和“虚断”。 虚短和虚断的概念

由于运放的电压放大倍数很大,一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的,一般在 10 V~14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV,两输入端近似等电位,相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大,两输入端的电位越接近相等。

“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时,可把两输入端视为等电位,这一特性称为虚假短路,简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。

由于运放的差模输入电阻很大,一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1μA,远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路,且输入电阻越大,两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时,可以把两输入端视为等效开路,这一特性 称为虚假开路,简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。

图一运算放大器的同向端接地=0V,反向端和同向端虚短,所以也是0V,反向输入端输入电阻很高,虚断,几乎没有电流注入和流出,那幺R1和R2相当于是串联的,流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的,即流过R1的电流和流过R2的电流是相同的。流过R1的电流

I1 = (Vi - V-)/R1 ………………………………………….…a 流过R2的电流

I2 = (V- - Vout)/R2 ……………………………………….…b

V- = V+ = 0 …………………………………………………c

I1 = I2 ………………………………………………………….…d

求解上面的初中代数方程得

Vout = (-R2/R1)*Vi

这就是传说中的反向放大器的输入输出关系式了。

图二中

Vi与V-虚短,则

Vi = V- …………………………………………….…….……….a

因为虚断,反向输入端没有电流输入输出,通过R1和R2的电流相等,设此电流为I,由欧姆定律得:

I = Vout/(R1+R2) ……………………………………..….…b

Vi等于R2上的分压, 即:

Vi = I*R2 …………………………………………….….….…c

由abc式得

Vout=Vi*(R1+R2)/R2

这就是传说中的同向放大器的公式了。

图三中,由虚短知:

V- = V+ = 0 …………………………………………………..…a

由虚断及基尔霍夫定律知,通过R2与R1的电流之和等于通过R3的电流,故

(V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (Vout – V-)/R3 ….b

代入a式,b式变为

V1/R1 + V2/R2 = Vout/R3

如果取R1=R2=R3,则上式变为

Vout=V1+V2

这就是传说中的加法器了。

(编辑者注)质疑:(V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (V- – Vout)/R3 ……b 图三公式中少了个负号?

图四。因为虚断,运算放大器同向端没有电流流过,则流过

R1和R2的电流相等,同理流过R4和R3的电流也相等。故

(V1 – V+)/R1 = (V+ - V2)/R2 ………………….………..a

(Vout – V-)/R3 = V-/R4 ………………………..………….……b

由虚短知:

V+ = V- …………………………………………………………….…c

如果R1=R2,R3=R4,则由以上式子可以推导出

V+ = (V1 + V2)/2 V- = Vout/2 …………………………………….d

故 Vout = V1 + V2 也是一个加法器。

图五由虚断知,通过

R1的电流等于通过R2的电流,同理通过R4的电流等于R3的电流,故有

(V2 – V+)/R1 = V+/R2 ………………………..…..…a

(V1 – V-)/R4 = (V- - Vout)/R3 ………..……….…b

如果R1=R2,则

V+=V2/2 …………………………………………………….c

如果R3=R4,则

V- = (Vout + V1)/2 ………………………………….…d

由虚短知

V+ = V- ………………………………………………….…e

所以 Vout=V2-V1

这就是传说中的减法器了。

图六电路中,由运算放大器的虚短知,反向输入端的电压与同向端相等,由虚断知,通过R1的电流与通过C1的电流相等。通过R1的电流 i=V1/R1,通过C1的电流

i=C*dUc/dt=-C*dVout/dt 所以 Vout=((-1/(R1*C1))

输出电压与输入电压对时间

的积分成正比,这就是传说中的积分电路了。若V1为恒定电压U,则上式变换为Vout = -U*t/(R1*C1) t 是时间,则Vout输出电压是一条从0至负电源电压按时间变化的直线。

8.运算放大器工作原理经典电路图七

图七中由虚断知,通过电容C1和电阻R2的电流是相等的,由虚短知,运算放大器同向端与反向端电压是相等的,则:Vout= -i*R2 = -(R2*C1)dV1/dt 这是一个微分电路。如果V1是一个突然加入的直流电压,则输出Vout对应一个方向与V1相反的脉冲。

图八中由虚短知

Vx = V1 …………………………………….……………………….………..a

Vy = V2 ……………….…………………………………………………….…b

由虚断知,运算放大器输入端没有电流流过,则R1、R2、R3可视为串联,通过每一个电阻的电流是相同的,电流

I=(Vx-Vy)/R2 …………………………………….…………………..……c

则:Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3) = (Vx-Vy)(R1+R2+R3)/R2 ……d

由虚断知,流过R6与流过R7的电流相等,若R6=R7,则

Vw = Vo2/2 …………………………………………………………………e

同理若R4=R5,则Vout – Vu = Vu – Vo1,故

Vu = (Vout+Vo1)/2 ………………………………….………………….f

由虚短知,

Vu = Vw ………………………………………………………………………….…g

由efg得

Vout = Vo2 – Vo1 ……………………….……………………………………..h

由dh得

Vout = (Vy –Vx)(R1+R2+R3)/R2………..………………………………..i

上式中(R1+R2+R3)/R2是定值,此值确定了差值(Vy –Vx)的放大倍数。这个电路就是传说中的差分放大电路了。

很多控制器接受来自各种检测仪表的

0~20mA或4~20mA电流,电路将此电流转换成电压后再送ADC转换成数字信号,图九就是这样一个典型电路。如图4~20mA电流流过采样100Ω电阻R1,在R1上会产生0.4~2V的电压差。由虚断知,运算放大器输入端没有电流流过,则流过R3和R5的电流相等,流过R2和R4的电流相等。故:

(V2-Vy)/R3 = Vy/R5 …………………………………………………a

(V1-Vx)/R2 = (Vx-Vout)/R4 ………………………………..…b

由虚短知:

Vx = Vy ………………………………………………………………….…c

电流从0~20mA变化,则

V1 = V2 + (0.4~2) ……………………………………………….…d

由cd式代入b式得

(V2 + (0.4~2)-Vy)/R2 = (Vy-Vout)/R4 …………………e

如果R3=R2,R4=R5,则由e-a得

Vout = -(0.4~2)R4/R2 ……………………………………….f

图九中R4/R2=22k/10k=2.2,则f式Vout = -(0.88~4.4)V,即是说,将4~20mA电流转换成了-0.88 ~ -4.4V电压,此电压可以送ADC去处理。

电流可以转换成电压,电压也可以转换成电流。图十就是这样一个电路。上图的负反馈没有通过电阻直接反馈,而是串联了三极管Q1

的发射结,大家可不要以为是一个比较器就是了。只要是放大电路,虚短虚断的规律仍然是符合的!

由虚断知,运算放大器输入端没有电流流过,则

(Vi – V1)/R2 = (V1 – V4)/R6 …………………a

同理

(V3 – V2)/R5 = V2/R4 ……………………………b

由虚短知

V1 = V2 …………………………………………………c

如果R2=R6,R4=R5,则由abc式得V3-V4=Vi

上式说明R7两端的电压和输入电压Vi相等,则通过R7的电流I=Vi/R7,如果负载RL<>

12.运算放大器工作原理经典电路图十一

来一个复杂的,图十一是一个三线制PT100前置放大电路。PT100传感器引出三根材质、线径、长度完全相同的线,接法如图所示。有2V的电压加在由R14、R20、R15、Z1、PT100及其线电阻组成的桥电路上。Z1、Z2、Z3、D11、D12、D83及各电容在电路中起滤波和保护作用,静态分析时可不予理会,Z1、Z2、Z3可视为短路,D11、D12、D83及各电容可视为开路。由电阻分压知,

V3=2*R20/(R14+20)=200/1100=2/11 ………………..…….…a 由虚短知,U8B第6、7脚 电压和第5脚电压相等

V4=V3 ………………………………………………………………….……..…b

由虚断知,U8A第2脚没有电流流过,则流过R18和R19上的电流相等。

(V2-V4)/R19=(V5-V2)/R18 ………………………………………...…c

由虚断知,U8A第3脚没有电流流过,

V1=V7 ……………………………………………………………….……….…d

在桥电路中R15和Z1、PT100及线电阻串联,PT100与线电阻串联分得的电压通过电阻R17加至U8A的第3脚,

V7=2*(Rx+2R0)/(R15+Rx+2R0) …………………...............e

由虚短知,U8A第3脚和第2脚电压相等,

V1=V2 ………………………………………………………………….…….…f

由abcdef得, (V5-V7)/100=(V7-V3)/2.2 化简得

V5=(102.2*V7-100V3)/2.2即

V5=204.4(Rx+2R0)/(1000+Rx+2R0) – 200/11 ……..…g

上式输出电压V5是Rx的函数我们再看线电阻的影响。Pt100最下端线电阻上产生的电压降经过中间的线电阻、Z2、R22,加至U8C的第10脚,由虚断知,

V5=V8=V9=2*R0/(R15+Rx+2R0) …………..………………..…..…a (V6-V10)/R25=V10/R26 ……………………..………………………………b 由虚短知,

V10=V5 ………………………………………………………….…………….….c

由式abc得

V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/[2.2(1000+Rx+2R0)] ……..h

由式gh组成的方程组知,如果测出V5、V6的值,就可算出Rx及R0,知道Rx,查pt100分度表就知道温度的大小了。

11

12

范文二:运算放大器

1. 某放大电路的电压传输特性如图所示。

1.该电路输出电压与输入电压间是何种运算关系?电压放大倍数有多大?

2.用一只理想集成运算放大器和其它必要的元件组成电路,使其具有图示电压传输特性(要求电路的输入电阻R i =10k Ω),画出电路图,标明元件值(限流电阻可选1k Ω)。

I V

1.反相比例运算关系

电压放大倍数:

当u I >0时,A u =

?u O -6

==-30; ?u I 0. 2

?u O 10

==-40。 ?u I -0. 25

当u I <0时,a u="">

u I

VD 1

O

2.某放大电路的电压传输特性如图所示。

1.该电路输出电压与输入电压间是何种运算关系?电压放大倍数A u =?

2.用一只理想集成运算放大器和其它必要的元件组成电路,使其具有图示电压传输特 性(要求电路的输入电阻R i =10k Ω),画出电路图,标明元件值(若需限流电阻, 可选820Ω)。

I V

1.反相比例运算关系

电压放大倍数:

-5V ≤u I ≤3V 时,A u =

?u O

=-2 ?u I

u I >3V 时,A u =2.电路如图示

?u O

=-1 ?u I

u I

O

3.某放大电路的电压传输特性如图所示。

1.该电路的电压放大倍数是多少?

2.写出输出电压u O 与输入电压u I 的关系式。

3.用一只理想集成运算放大器和必要的元件组成电路,使其具有图示电压传输特性 (供使用的反馈电阻为100k Ω),画出电路图,标明元件值(若需限流电阻,可 选510Ω)。

I V

1.A u =

?u O -8

==-4 2 ?u I 2

2.u O =-4(u I -4),2V <6v>

u I

O

4.图示电路中,运放A 和二极管

VD 都是理想器件。

1.写出输出电压u O 与输入电压u I 的函数关系式。

2.输入电压u I 从-1V 变至+1V 时,问i O 的变化范围是多少?

u O

1.u O =?

?0 (u I ≥0)

?u I (u I <>

2.当u I 从0~+1V 时, i O =0; 当u I 从0~-1V 时, i O =0~-当u I =-1V 时, i O =1mA 。

5.图示放大电路中,已知A 1、A 2为理想运放。

1.导出输出电压u O 与输入电压u I 的关系式。2.求输入电阻R i =

u I

; R L

u I

=? i I

u u O

2244? ?1+U U =-1+u I =-3u I 1.U O1= 故u =-u I O O O1 ? ?R R R R 31?1?3??

?R ?R ?R ?R

2.i I =

u I -u O1u I -u O 4R -2R 5

+=u I R R 5RR 5RR 5u I ==210k Ω i I 4R -2R 5

R i =

6.图示比例积分运算电路中,A 为理想运算放大器,电容C 上的初始电压为0,运放A 的 最大输出电压U OM =±10V ,输入信号电压u I 如图所示,在t =0时接入。 1.写出输出电压u O (t )的表达式。 2.画输出电压的波形图,标明时间和幅值。

C

t/s

u O

t/s

R 1

1.u O =-2u I -

R 1R 1C

?

t

u I dt 2.u O =-2u I -u I t

2

s

40

s

7.图示积分电路中,设A 为理想运算放大器。已知输出电压起始值为0,输入电压u I 为 图示方波。试画出输出电压u O (t )的波形图,并标明有关数值。

321

C

12O

ms

u I

ms

1 t

u I d t +u O (0) ? 0RC

时间常数τ=RC =1m s 。

u O =-

当 ?t =1m s ,u I =1V 时, ?u O =-1V ; ?t =1m s , u I =3V 时, ?u O =-3V ; ?t =2m s ,u I =-2V 时,?u O =4V 。 得u O (t )电压波形如图所示。

3210

123

ms

8.图示电路中,设运算放大器A 、二极管VD 、稳压管VD Z 均为理想器件。已知U Z =6V , 输出电压的起始值u O (0)=0V ,开关S 置于位置1上。当t =t 1=4s 时,开关S 转换到 位置2上。试画出输出电压u O 在0≤t ≤10s 区间的波形,标出其u O 过零和转折的时间。

O

u O =-

1 t

u I d t +u O (0) RC ? 0

τ=RC =1s

注意VD Z 的限幅作用,经计算得u O 波形如图:

s

9.设图示(a )(b )电路中的集成运算放大器A 均为理想器件,电容C 上的初始电压为零。 已知输入电压u I1=1V 、u I2=2V 。

1.写出(a )(b )电路的输出电压u O 与输入电压u I 间的关系式。

2.在给定的输入电压下,从t =0时开始积分。当5ms 时,问两电路的输出电压u O1、

u O2各为多少。

u I1

u I2

C C u O1

u O2

( a )

( b )

1.图a u O1=-

1C

?u I1u I2?? 0 R +R ??d t +u C (t )t =0

2??1

t

图b u +=

R 2R 14

u I1+u I2=V

R 1+R 2R 1+R 231C

u +1d t +u =+? 0R 3

R 3C

t

u O2=-

?

t

u +d t +u +

2.将已知参数代入u O1、u O2式中,得

u O1=-10V u O2≈1.4V

10

.微分运算电路如图(a )所示,图(b )为输入电压u I 波形图,A 为理想运算放大器。

试画出输出电压u O 的波形,并标明有关数值。

u I u O

u V

t t u

I

( a ) ( b )

u O =-RC

u O d u I d u

=-1?I d t d t

t s

波形如图所

11.图示电路中,A 为理想运算放大器。已知输入电压u I1、u I2的波形如图所示,试画出输出电压u O 的波形。

u u

u I1t s

u O

u I2V

t ( a )

( b )

u O =-R 2C

d u I1R 2

-u I2 d t R 1

d u I1

=1V, u I2=0, u O =-1V ; d t d u I1

当t =1~2s 时, =-1V , u I2=-2V , u O =2V ;

d t d u I1

当t =2~3s 时, =1V, u I2=0, u O =-1V 。

d t

当t =0~1s 时,

s

范文三:运算放大器

简介

早在20世纪40年代运算放大器第一次被提出来。理想增益模块出现之前先出现了真空管,该元件主要用于运算电路。它们通过反馈的方式完成加法、减法、以及其他的数学函数。

在集成技术出现之前,运放由于价格昂贵,体积笨重而使应用受到限制,直到出现了新技术使得运放集成化才解决了其体积和价格的问题。

有关于运放的资料,已经有了成千上万册。简单来说,这个说明书会包含基本运放的定义,及其测试方法和使用提示。也包括在有应用到反馈情况下的反馈理论的概述分析。

理想放大器

理想的运放有着一些独特的特性。因为这种元件要用来做方法模块,因此理想运放的增益应无穷大。同样根据定义,理想运放的输入电阻应为无穷大,以阻止来自信号源的所有激励对其的影响。此外,其输出阻抗应为零,以提供无穷大的电流来驱动负载。

这些理想的定义可用如图4.2理想运放模型来阐述。

更令人满意的特性有:无限的带宽,零失调电压,对温度、供电电源波动、共模输入信号反应不灵敏。

记住将这些参量,进一步思索过程中两个有力的分析工具。由于输入阻抗无穷大,因此在运放输入端口没有电流流入运放。另外,当使用反馈时,差分输入电压减小到零。这两种状态普遍被用于网络起始点的分析以及后续的电路的分析。

实际运算放大器

通过先进的现代技术,我们已经向理想运放迈出了极大的一步。整体电路已经越来越接近理想运算放大器。例如在很多场合下,双极性运放偏置电流已经达到pA 级范围,而场效应管的偏移电压已经减小到1毫伏以下。

无论如何,任何元件都有着极限,集成电路也不例外。现代的运放有着电流和电压的双重限制。例如点对点输出电压通常也是比供电电压小一到两个基级发射级电压降,而输出电流上限也是在25毫安左右。其它的限制条件很显而易见的如带宽和转换速度,尽管每一代新的元件都比前一代元件有所提高。

术语定义

很早的时候,理想运放就已经被定义了。当然,没有电路是理想的,所以实际的应用中都会包含一些误差来源。

在深入研究放大器的内部电路系统之前,来认识定义这些常用的参量是很有必要的。

输入偏移电压

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