【圖】運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用介紹
(2023/6/17 7:00:00)
運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用介紹
運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用介紹
實際集成運(yùn)放的參數(shù)很龐雜，而在一般電路設(shè)計中往往引入較深的負(fù)反饋，這使得集成運(yùn)放的本身參數(shù)不顯得特別的重要。我們在設(shè)計之前，常把集成運(yùn)放理想化，而后通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使之符合設(shè)計要求。
5.4.1 理想化的集成運(yùn)放
理想運(yùn)放的條件是：
1.開環(huán)電壓增益=∞
2.開環(huán)輸入電阻=∞
3.開環(huán)輸出電阻=∞
4.共模抑制比 CMRR =∞
5.開環(huán)帶寬 BW =∞
6.電流、電壓失調(diào)及其溫漂都為零。
以上除開環(huán)帶寬BW與實際運(yùn)放有較大的出入外，其余五條與實際運(yùn)放相差不太大。理想運(yùn)放如圖5.17所示。
由上述的理想化條件可得如下關(guān)系：
式(5.28)是第一條重要推論：理想運(yùn)放的同相輸入端電位等于反相輸入端電位。或者說兩輸入端等電位，也就是有人常說的兩輸入端“虛短”的概念。再者，理想集成運(yùn)放的凈輸入電流
式(5.29)是第二條重要推論：理想運(yùn)放的凈輸入電流為零，或者說兩輸入端不取電流，也就是有人常說的兩輸入端“虛斷”的概念。
由于理想運(yùn)放的輸出電阻r0=0，故理想運(yùn)放輸出為理想電壓源。
5.4.2 基本放大電路
運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用介紹
實際集成運(yùn)放的參數(shù)很龐雜，而在一般電路設(shè)計中往往引入較深的負(fù)反饋，這使得集成運(yùn)放的本身參數(shù)不顯得特別的重要。我們在設(shè)計之前，常把集成運(yùn)放理想化，而后通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使之符合設(shè)計要求。
5.4.1 理想化的集成運(yùn)放
理想運(yùn)放的條件是：
1.開環(huán)電壓增益=∞
2.開環(huán)輸入電阻=∞
3.開環(huán)輸出電阻=∞
4.共模抑制比 CMRR =∞
5.開環(huán)帶寬 BW =∞
6.電流、電壓失調(diào)及其溫漂都為零。
以上除開環(huán)帶寬BW與實際運(yùn)放有較大的出入外，其余五條與實際運(yùn)放相差不太大。理想運(yùn)放如圖5.17所示。
由上述的理想化條件可得如下關(guān)系：
式(5.28)是第一條重要推論：理想運(yùn)放的同相輸入端電位等于反相輸入端電位。或者說兩輸入端等電位，也就是有人常說的兩輸入端“虛短”的概念。再者，理想集成運(yùn)放的凈輸入電流
式(5.29)是第二條重要推論：理想運(yùn)放的凈輸入電流為零，或者說兩輸入端不取電流，也就是有人常說的兩輸入端“虛斷”的概念。
由于理想運(yùn)放的輸出電阻r0=0，故理想運(yùn)放輸出為理想電壓源。
5.4.2 基本放大電路
1.反相比例放大電路
反相比例放大電路如圖5.18所示。
運(yùn)放的輸入級為差動放大器，而差動放大器要求電路結(jié)構(gòu)對稱平衡,否則會降低共模抑制比。所以在電路設(shè)計時要求平衡電阻RP為R1與Rf的并聯(lián)值，由理想運(yùn)放兩個重要推論可得：
2.同相比例放大電路：
同相比例放大電路如圖5.19所示。此電路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，由理想運(yùn)放條件可得：
作為放大器，其輸出電阻為零，輸入電阻為∞。同理該電路的運(yùn)算關(guān)系和放大倍數(shù)僅與外圍電路(反饋網(wǎng)絡(luò))有關(guān)，而與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。
若令R1= ∞，Rf= 0，Rp= 0 。則該電路便成為電壓跟隨器，U0=Ui如圖5.20所示。它的輸入電阻Ri=∞ 輸出電阻R0=0，電壓放大倍數(shù)Au= 1。它常作為緩沖器，隔離用，它有電流放大作用，即有功率增益。有功率增益的稱放大器，否則稱衰減器。
5.4.3 線性運(yùn)算電路
1.混合加減器
混合加減器如圖5.21所示。根據(jù)差放輸入的平衡要求設(shè)計該電路時，一般要求R1∥R2∥Rf=R3 ∥R4∥R5 。
該電路有四個激勵信號U1，U2，U3和U4，現(xiàn)要求取它的響應(yīng)，可利用電路分析中的迭加定理，迭加定理僅適用于線性電路，方法如下：先求第一個激勵信號的響應(yīng)，其余激勵信號為零，即將電壓源短路，將電流源開路。再如上法分別求取其余各激勵信號的響應(yīng)，最后將各激勵信號的響應(yīng)相加,得到該電路的總響應(yīng)。 
2.微分電路
回顧一下，普通物理中出現(xiàn)的電容器充放電的一般概念，如圖5.22所示。容量為C的電容器，有電流 對它充電，電容兩極板分別聚集電荷為+Q(t)和－Q(t)，于是電容兩端電壓為
(1) 微分電路如圖5.23所示。根據(jù)理想運(yùn)放的兩個推論可得
(2) 差動微分電路
如圖5.24(a)所示。
分析該電路的簡便方法是利用拉氏變換和迭加定理。先對各信號進(jìn)行拉氏變換，得圖5.24(b). 根據(jù)迭加定理求取拉氏響應(yīng)，即復(fù)頻域響應(yīng)。
3.積分電路
積分電路如圖5.25所示。由理想運(yùn)放兩個推論可得：
積分電路不可以在單方向、長時間的信號下工作。否則，輸出電壓會不斷地增長，由于輸出電壓受電源電壓的限制，會進(jìn)入限幅區(qū)，造成非線性失真，使積分關(guān)系不成立。
5.4.4 非線性運(yùn)算電路
集成運(yùn)放與非線性元器件的組合，可構(gòu)成非線性運(yùn)算電路。
1.對數(shù)運(yùn)算電路
對數(shù)運(yùn)算電路如圖5.26所示。在運(yùn)放的反饋網(wǎng)絡(luò)中接入具有非線性特性的二極管或二極管接法的三極管。
上式表明了輸出信號是輸入信號的對數(shù)函數(shù)。輸出電壓U0在零至負(fù)幾百毫伏間。上式僅適應(yīng)于輸入信號Ui＞0的場合。假若Ui＜0, 由反相放大的關(guān)系，輸出信號U0 ＞0，三極管處于反偏狀態(tài)而截止，反相放大器處于開環(huán)放大狀態(tài)，輸出電壓接近于+Ucc。由于硅三極管發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓通常在4V左右，故+ Ucc （例如15V）足以擊穿三極管發(fā)射結(jié)，可能使其損壞。實用的對數(shù)放大器還需加保護(hù)電路。如圖5.27所示。圖中二極管D可使輸出電壓U0箝相位于+0.7V左右。從而保護(hù)了三極管。
2.指數(shù)運(yùn)算電路
將圖5.26的電阻R與三極管T對調(diào)一下，即構(gòu)成指數(shù)運(yùn)算電路如圖5.28所示。 
5.6 模擬乘法器及其應(yīng)用
集成模擬乘法器是實現(xiàn)的模擬信號相乘功能的非線性運(yùn)算器件，它在通信系統(tǒng)，控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。
5.6.1 模擬乘法器的基本概念
模擬乘法器有X、Y兩個輸入端和一個輸出端Z，它的電路符號如圖5.44所示。
5.6.2 二象限變跨導(dǎo)模擬乘法器
二象限變跨導(dǎo)模擬乘法器如圖5.45。圖中T1、T2為差動放大器，UX為輸入信號，U0為輸出信號，T3既作為T1、T2差放電路的恒流源電路，同時又作為另一輸入信號的放大電路。該電路UX極性可正可負(fù)，但UY極性只能為正，且要大于UBE3，電路才能工作。若令UX和UY為笛卡爾坐標(biāo)系正交的兩個軸，則該電路只能工作于第1和第2兩個象限。
5.6.4 模擬乘法的非線性運(yùn)算電路
1.相乘與乘方電路
乘法器在實用中常取KM=0.1（1/V），乘法器實現(xiàn)相乘和乘方電路是顯而易見的事，見圖5.48所示。
2.除法電路
除法電路如圖5.49所示，由運(yùn)放一般概念可得
上式值得注意的是，必須為UY正電壓。當(dāng)UY ＜0時,運(yùn)放為正反饋，產(chǎn)
生閉鎖，即輸出為接近正或負(fù)電源電壓的值。
3.方根電路
平方根和立方根電路如圖5.50，由運(yùn)算一般原理可得(a)圖的運(yùn)算關(guān)系為：
4.均方根電路
均方根電路如圖5.51所示。由運(yùn)放一般原理可得其運(yùn)算關(guān)系
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