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實(shí)用運(yùn)算放大器基礎(chǔ)及應(yīng)用簡(jiǎn)介
01?運(yùn)算放大器的原理 ? ?
運(yùn)算放大器是目前應(yīng)用最廣泛的一種器件，雖然各種不同的運(yùn)放結(jié)構(gòu)不同，但對(duì)于外部電路而言，其特性都是一樣的。運(yùn)算放大器一般由4個(gè)部分組成，偏置電路，輸入級(jí)，中間級(jí)，輸出級(jí)，其中輸入級(jí)一般是采用差動(dòng)放大電路（抑制電源），中間級(jí)一般采用有源負(fù)載的共射負(fù)載電路（提高放大倍數(shù)），輸出級(jí)一般采用互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)電路，以提高電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，這里只是簡(jiǎn)單的介紹一下，具體的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。
工業(yè)應(yīng)用上，用來(lái)衡量一個(gè)運(yùn)算放大器的性能的指標(biāo)有很多，一般認(rèn)為實(shí)際運(yùn)算放大器越接近理想運(yùn)放就越好，理論上我們涉及到的只是要求輸入端等效電阻無(wú)窮大，開(kāi)環(huán)增益無(wú)窮大，其實(shí)，還有很多其他的指標(biāo)，如下我們做簡(jiǎn)要介紹，運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)包括5個(gè)，開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比CMRR。開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放在無(wú)外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰--峰值。差模輸入電阻的大小反映了集成運(yùn)放輸入端向差模輸入信號(hào)源索取電流的大小。要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的負(fù)載能力。共模抑制比反應(yīng)了集成運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制能力，其定義同差動(dòng)放大電路。CMRR越大越好。
在實(shí)際運(yùn)用經(jīng)常將運(yùn)放理想化，這是由于一般說(shuō)來(lái)，運(yùn)放的輸入電阻很大，開(kāi)環(huán)增益也很大，輸出電阻很小，可以將之視為理想化的，這樣就能得到：Ri≈∞，Ro≈0，A≈∞。由 A≈∞,得到U+≈U-，于是兩個(gè)輸入端可以近似看作短路，稱為“虛短”，如果同向輸入端接地，反向輸入端與地幾乎同電位，稱為“虛地”。由Ri≈∞可知，輸入端電路近似等于0，故可把輸入端看作是斷路，稱之為“虛斷”。
02?
運(yùn)算放大器的應(yīng)用 ? ?
這里只談理想運(yùn)放的應(yīng)用。運(yùn)算放大器的應(yīng)用很廣泛，這里我們只談?wù)動(dòng)蛇\(yùn)算放大器加上其他一些集中性元件組成的運(yùn)算電路。為理解起來(lái)方便一些，我們介紹如下，運(yùn)算電路包括比例電路，和差電路，積分微分電路，對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路。
1．比例電路：
所謂的比例電路就是將輸入信號(hào)按比例放大的電路，比例電路又分為反向比例電路、同相比例電路、差動(dòng)比例電路。
(1) 反向比例電路：
反向比例電路，輸入信號(hào)加入反相輸入端，由圖可見(jiàn)，輸入電壓ui通過(guò)電阻R1加在運(yùn)放的反向輸入端。Rf是溝通輸出和輸入的通道，是電路的反饋網(wǎng)絡(luò)。
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反向比例運(yùn)算電路的輸入電阻
由基爾霍夫定律知，輸出電壓U0與輸入電壓Ui稱比例關(guān)系，方向相反，改變比例系數(shù)，即改變兩個(gè)電阻的阻值就可以改變輸出電壓的值。反向比例電路對(duì)于運(yùn)放的性能也有一定的性能要求，比如對(duì)輸入信號(hào)的負(fù)載能力有一定的要求。
(2) 同向比例電路：
跟反向比例電路本質(zhì)上差不多，除了同向接地的一段是反向輸入端，電路中運(yùn)放的同相輸入端接信號(hào)vs，反向輸入端通過(guò)電阻 R1接地,vo與vs同相，根據(jù)“虛短”和“虛斷” vo=（1+Rf/R1)v-=（1+Rf/R1)vs 故稱為同相比例放大電路。
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同相比例運(yùn)算電路的特點(diǎn)如下
1）輸入電阻很高，輸出電阻很低。
2）由于vN= vP= vS，電路不存在虛地（因?yàn)镹點(diǎn)的電壓被流過(guò)R1的電流i1抬高了，且運(yùn)放存在共模輸入信號(hào)（因?yàn)閂+ ↑時(shí)有V- ↑，V+ ↓時(shí)有V-↓），因此要求運(yùn)放有較高的共模抑制比。
(3)差動(dòng)比例電路?
輸入信號(hào)分別加在反相輸入端和同相輸入端，具體的步驟和前兩個(gè)差不多就不在推導(dǎo)了，我們可以看出它實(shí)際完成的是：對(duì)輸入兩信號(hào)的差運(yùn)算。
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2．和差電路：和差電路也是一種運(yùn)用比較廣泛的電路，這里就舉三個(gè)電路：反向求和電路，同向求和電路，和差電路。
1）反相求和電路
它的電路圖（輸入端的個(gè)數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整）其中電阻R'為
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它可以模擬方程：。它的特點(diǎn)與反相比例電路相同。它可十分方便的某一電路的輸入電阻，來(lái)改變電路的比例關(guān)系，而不影響其它路的比例關(guān)系。
2）同相求和電路
它的電路圖：（輸入端的個(gè)數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整）
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它的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：它的調(diào)節(jié)不如反相求和電路，而且它的共模輸入信號(hào)大，因此它的應(yīng)用不很廣泛。
3）和差電路
它的電路圖：此電路的功能是對(duì)Ui1、Ui2進(jìn)行反相求和，對(duì)Ui3、Ui4進(jìn)行同相求和，然后進(jìn)行的疊加即得和差結(jié)果。
它的輸入輸出電壓的關(guān)系是：由于該電路用一只集成運(yùn)放，它的電阻計(jì)算和電路調(diào)整均不方便，因此我們常用二級(jí)集成運(yùn)放組成和差電路。它的電路圖如圖（4）所示，它的輸入輸出電壓的關(guān)系是：
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它的后級(jí)對(duì)前級(jí)沒(méi)有影響（采用的是理想的集成運(yùn)放），計(jì)算十分方便。
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3．積分和微分電路：?
以上用到的元件基本上都是電阻元件，如果其中端的電阻換成電容，那么結(jié)果就會(huì)變成積分電路和微分電路。
1）?積分電路：積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉(zhuǎn)換為拋物波。電路原理很簡(jiǎn)單，都是基于電容的沖放電原理，電路的時(shí)間常數(shù)R*C，構(gòu)成積分電路的條件是電路的時(shí)間常數(shù)必須要大于或等于10倍于輸入波形的寬度。
因C1兩端電壓不能突變，在輸入信號(hào)上升沿至平頂階段，輸入信號(hào)經(jīng)R1對(duì)C1充電，C1兩端電壓因充電電荷的逐漸積累而緩慢上升;同樣，在輸入信號(hào)的下降沿及低電平時(shí)刻，C1通過(guò)R1放電，其上電壓逐漸降低。由RC電路延遲效應(yīng)，達(dá)到了波形變換的目的。在此過(guò)程中，因C1的遲緩反應(yīng)”，忽視了信號(hào)的突變部分。
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2）?微分電路：?微分電路是電子線路中最常見(jiàn)的電路之一,弄清它的原理對(duì)我們看懂電路圖、理解微分電路的作用很有幫助,這里我們將對(duì)微分電路做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。圖10給出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的微分電路形式。為表達(dá)方便,這里我們使輸入為頻率為50Hz的方波,經(jīng)過(guò)微分電路后,輸出為變化很陡峭的曲線。圖11是用示波器顯示的輸入和輸出的波形。
當(dāng)?shù)谝粋€(gè)方波電壓加在微分電路的兩端（輸入端）時(shí),電容C上的電壓開(kāi)始因充電而增加。而流過(guò)電容C的電流則隨著充電電壓的上升而下降。電流經(jīng)過(guò)微分電路（R、C）的規(guī)律可用下面的公式來(lái)表達(dá)
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i?=?(V/R)e-(t/CR)；i-充電電流（A）;??v-輸入信號(hào)電壓（V）;??·R-電路電阻值（歐姆）;??·C-電路電容值（F）;??·e-自然對(duì)數(shù)常數(shù)（2.71828）;??·t-信號(hào)電壓作用時(shí)間（秒）;??·CR-R、C常數(shù)（R*C）
由此我們可以看出輸出部分即電阻上的電壓為i*R,結(jié)合上面的計(jì)算,我們可以得出輸出電壓曲線計(jì)算公式
積分電路和微分電路的特點(diǎn)
1）積分電路可以使輸入方波轉(zhuǎn)換成三角波或者斜波；微分電路可以使使輸入方波轉(zhuǎn)換成尖脈沖波。、
2）積分電路電阻串聯(lián)在主電路中，電容在干路中；微分則相反。
3）積分電路的時(shí)間常數(shù)t要大于或者等于10倍輸入脈沖寬度；微分電路的時(shí)間常數(shù)t要小于或者等于1/10倍的輸入脈沖寬度。
4）積分電路輸入和輸出成積分關(guān)系；微分電路輸入和輸出成微分關(guān)系
4．對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路：?
1）對(duì)數(shù)電路；使用了二極管，二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦?。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出，正是利用這個(gè)特性而實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)和指數(shù)電路。
對(duì)數(shù)運(yùn)算電路的計(jì)算對(duì)數(shù)運(yùn)算電路可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓的對(duì)數(shù)運(yùn)算。它主要是根據(jù)二極管的電流與它兩端的電壓在一定條件下呈對(duì)數(shù)關(guān)系以及理想運(yùn)放在線性區(qū)工作時(shí)的虛短和虛斷特性而實(shí)現(xiàn)的。對(duì)數(shù)運(yùn)算電路如圖所示。電路中，將二極管VD作為反饋網(wǎng)絡(luò)接在運(yùn)放的輸出端和反相輸入端之間，R’為平衡電阻，它具有反相結(jié)構(gòu)，反饋回路元件為集一基電壓差為0（反相端為虛地點(diǎn)的晶體管，利用其發(fā)射結(jié)的指數(shù)特性，就能對(duì)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算。它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：
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輸出電壓正比于輸入電壓的對(duì)數(shù)，UT和IS是與溫度有關(guān)的兩個(gè)變量，溫度變化將要嚴(yán)重影響運(yùn)算精度，所以必須采取溫度補(bǔ)償措施。
2）?指數(shù)運(yùn)算電路：?指數(shù)運(yùn)算電路與對(duì)數(shù)運(yùn)算電路差別僅僅只是把二極管和電阻互相位置，指數(shù)運(yùn)算電路是對(duì)數(shù)運(yùn)算的逆運(yùn)算,將指數(shù)運(yùn)算電路的二極管(三級(jí)管)與電阻R對(duì)換即可。電路圖如14所示
它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：利用對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算以及比例，和差運(yùn)算電路，可組成乘法或除法運(yùn)算電路和其它非線性運(yùn)算電路。對(duì)數(shù)放大器和反對(duì)數(shù)放大器具有非常廣泛的應(yīng)用，除了能構(gòu)成指數(shù)運(yùn)算電路外，通過(guò)配以加減運(yùn)算電路還可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的乘，除，乘方，開(kāi)方等運(yùn)算。
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工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論