章 運(yùn)放的特性及各種連接

1、電子儀器設(shè)計(jì)電子儀器設(shè)計(jì)信息與通信工程學(xué)院電子工程系信息與通信工程學(xué)院電子工程系第第3 3章章 運(yùn)放的特性及各種連接運(yùn)放的特性及各種連接 3.1 3.1 運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)3.2 3.2 用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)放大器的方法用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)放大器的方法3.3 3.3 信號運(yùn)算電路信號運(yùn)算電路3.4 3.4 測量放大電路測量放大電路3.1 運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)3.1.1 3.1.1 集成運(yùn)算放大器基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器基礎(chǔ)3.1.2 3.1.2 集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性及主要參數(shù)特性及主要參數(shù)3.1.3 3.1.3 集成運(yùn)算放大器的分析重點(diǎn)集

2、成運(yùn)算放大器的分析重點(diǎn)3.1.1 3.1.1 集成運(yùn)算放大器基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器基礎(chǔ)1.1.運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu) 金屬圓殼式封裝金屬圓殼式封裝 雙列直插式封裝雙列直插式封裝 運(yùn)算放大器是在一塊硅片上，經(jīng)過光刻、擴(kuò)運(yùn)算放大器是在一塊硅片上，經(jīng)過光刻、擴(kuò)散等一系列復(fù)雜工藝過程制成后，要引出多個(gè)引散等一系列復(fù)雜工藝過程制成后，要引出多個(gè)引腳，加上外殼封裝，構(gòu)成完整的產(chǎn)品。腳，加上外殼封裝，構(gòu)成完整的產(chǎn)品。 2 2電壓控制運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路電壓控制運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路所示電路為簡化了的運(yùn)算放大器，是由兩級直流放大器組成的。所示電路為簡化了的運(yùn)算放大器，是由兩級直流放大器組成的。第一級是一個(gè)

3、差分輸入單端輸出的射極耦合放大器。利用它的對第一級是一個(gè)差分輸入單端輸出的射極耦合放大器。利用它的對稱特性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比和其它方面的性能。輸入稱特性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比和其它方面的性能。輸入級的好壞影響著運(yùn)放的大多數(shù)參數(shù)，它具有高輸入阻抗、低漂級的好壞影響著運(yùn)放的大多數(shù)參數(shù)，它具有高輸入阻抗、低漂移、低功耗、輸入電壓范圍大、靜態(tài)電流小等特點(diǎn)。晶體管移、低功耗、輸入電壓范圍大、靜態(tài)電流小等特點(diǎn)。晶體管Q3Q3是是一個(gè)恒流源。如果兩個(gè)輸入（一個(gè)恒流源。如果兩個(gè)輸入（Q1Q1和和Q2Q2的基極電壓）相等，由恒流的基極電壓）相等，由恒流源提供的電流源提供的電流IoIo在在Q1Q1

4、和和Q2Q2中將平分，第一級（中將平分，第一級（Q2Q2的集電極）的輸?shù)募姌O）的輸出電壓為出電壓為+VS+VSR2Io/2R2Io/2。若沒有恒流源。若沒有恒流源Q3Q3，流過，流過Q1Q1和和Q2Q2的電流將隨的電流將隨V V 和和V_V_的電平高低變化（不僅與其差值有關(guān)）。第二級的的電平高低變化（不僅與其差值有關(guān)）。第二級的Q4Q4起電起電平轉(zhuǎn)換器和放大器的作用，其輸出電壓可以通過調(diào)節(jié)平轉(zhuǎn)換器和放大器的作用，其輸出電壓可以通過調(diào)節(jié)R4R4來調(diào)零。來調(diào)零。射極跟隨器射極跟隨器Q5Q5提供了低輸出阻抗，提高輸出效率。提供了低輸出阻抗，提高輸出效率。3.3.集成運(yùn)算放大器的分類集成運(yùn)算放大器的

5、分類u通用雙極型單、雙、四運(yùn)放通用雙極型單、雙、四運(yùn)放u單電源運(yùn)放單電源運(yùn)放 u低噪聲雙極型運(yùn)放低噪聲雙極型運(yùn)放 u結(jié)型場效應(yīng)管輸入級結(jié)型場效應(yīng)管輸入級(JFET)(JFET)運(yùn)放運(yùn)放 uMOSMOS場效應(yīng)管輸入級場效應(yīng)管輸入級(MOSFET)(MOSFET)型運(yùn)放型運(yùn)放 u高精度運(yùn)放高精度運(yùn)放 u高輸出運(yùn)放高輸出運(yùn)放 u微電流輸入微電流輸入( (高阻高阻) )型運(yùn)放型運(yùn)放 u高速、寬帶型運(yùn)放高速、寬帶型運(yùn)放 u低功耗型運(yùn)放低功耗型運(yùn)放 3.1.2 3.1.2 集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性及主集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性及主要參數(shù)要參數(shù) 集成運(yùn)集成運(yùn)放的電壓傳放的電壓傳輸特性如圖輸特性如圖所示

6、，它表所示，它表征了在低頻征了在低頻條件下，輸條件下，輸入電壓和輸入電壓和輸出電壓之間出電壓之間的關(guān)系。的關(guān)系。 1.1.非理想運(yùn)算放大器的主要參數(shù)非理想運(yùn)算放大器的主要參數(shù)(1)(1)差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)AodAod（亦稱之為開環(huán)差模放大倍數(shù)）（亦稱之為開環(huán)差模放大倍數(shù)） 一般情況下，一般情況下，AodAod104104106(106(即即8080120d),120d),性能較好性能較好的運(yùn)放可達(dá)到的運(yùn)放可達(dá)到140d140d以上。以上。(2)(2)差模輸入電阻差模輸入電阻ridrid 差模輸入電阻差模輸入電阻r ridid是指輸入差模信號時(shí)運(yùn)放的輸入電阻。是指輸入差模信號時(shí)運(yùn)放

7、的輸入電阻。在實(shí)際運(yùn)放中，在實(shí)際運(yùn)放中，r ridid也是較高的，如：也是較高的，如：CF741CF741的的r ridid1M1M，高，高阻型運(yùn)放阻型運(yùn)放5G285G28的的r ridid104M104M。(3)(3)輸出電阻輸出電阻roro 集成運(yùn)放的輸出級一般采用互補(bǔ)對稱式共集電路，因而集成運(yùn)放的輸出級一般采用互補(bǔ)對稱式共集電路，因而有較小的輸出阻抗，通常有較小的輸出阻抗，通常roro100100lklk，如，如CF741CF741，ro200ro200。(1)(1)，(2)(2)，(3)(3)為集成運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)的三項(xiàng)基本參為集成運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)的三項(xiàng)基本參數(shù)。數(shù)。(4)

8、(4)輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓UIOUIOUIOUIO的含義是，在的含義是，在UIUI0 0時(shí)，欲使輸出電壓時(shí)，欲使輸出電壓UoUo0 0，所需外加的補(bǔ)償，所需外加的補(bǔ)償電壓。造成失調(diào)電壓的原因是運(yùn)放輸入級差分對管的特性不會完電壓。造成失調(diào)電壓的原因是運(yùn)放輸入級差分對管的特性不會完全一致。全一致。(5)(5)輸入失調(diào)電壓溫漂輸入失調(diào)電壓溫漂dUIOdUIOdTdT 由于運(yùn)放電路輸入級差分對管的溫度特性不由于運(yùn)放電路輸入級差分對管的溫度特性不致，當(dāng)溫度變致，當(dāng)溫度變化時(shí)，輸入失調(diào)電壓亦隨之變化。可以用外接調(diào)零電路抵消化時(shí)，輸入失調(diào)電壓亦隨之變化?？梢杂猛饨诱{(diào)零電路抵消UIOUIO的的影響，但不能

9、消除影響，但不能消除dUIOdUIOdTdT的影響。因此，對于用戶來說，的影響。因此，對于用戶來說，dUIOdUIOdTdT是一個(gè)更為重要的參數(shù)。是一個(gè)更為重要的參數(shù)。(6)(6)輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流IIOIIO IB1 IB1和和IB2IB2是同相端與反相端的輸入電流。這個(gè)參數(shù)表征了差是同相端與反相端的輸入電流。這個(gè)參數(shù)表征了差分對管輸入電流不對稱的程度。分對管輸入電流不對稱的程度。(7)(7)輸入失調(diào)電流溫漂輸入失調(diào)電流溫漂dIIOdIIOdTdT 其意義與其意義與dUIOdUIOdTdT類似，它也是運(yùn)放一個(gè)重要參數(shù)。類似，它也是運(yùn)放一個(gè)重要參數(shù)。(4)(4)，(5)(5)，(6)(6

10、)，(7)(7)為集成運(yùn)算放大器的失調(diào)參數(shù)。在上面四個(gè)為集成運(yùn)算放大器的失調(diào)參數(shù)。在上面四個(gè)參數(shù)中，參數(shù)中，dUIOdUIOdTdT和和dIIOdIIOdTdT愈小，運(yùn)放的溫漂亦愈小，這對于愈小，運(yùn)放的溫漂亦愈小，這對于設(shè)計(jì)低漂移的放大器來說是至關(guān)重要的參數(shù)。設(shè)計(jì)低漂移的放大器來說是至關(guān)重要的參數(shù)。(8)(8)共模抑制比共模抑制比KCMRKCMR常用分貝表示，即為常用分貝表示，即為20lgKCMR20lgKCMR。通常運(yùn)放的。通常運(yùn)放的20lgKCMR20lgKCMR6060100d100d。高共模抑制比組件的。高共模抑制比組件的20lgKCMR20lgKCMR可達(dá)可達(dá)120120140d14

11、0d，例如，例如AD521AD521，AD522AD522。(9)(9)最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓UICMAX UICMAX 如果共模信號的幅如果共模信號的幅值超過一定限度，運(yùn)放就不能正常工作。稱這個(gè)值超過一定限度，運(yùn)放就不能正常工作。稱這個(gè)極限值為極限值為UICMAXUICMAX。 (8)(8)，(9)(9)為集成運(yùn)算放大器的共模參數(shù)。在為集成運(yùn)算放大器的共模參數(shù)。在工業(yè)現(xiàn)場使用的放大器，因由傳感器經(jīng)傳輸線傳工業(yè)現(xiàn)場使用的放大器，因由傳感器經(jīng)傳輸線傳來的信號含有很強(qiáng)的共模信號，要特別注意共模來的信號含有很強(qiáng)的共模信號，要特別注意共模參數(shù)。在強(qiáng)干擾的工業(yè)現(xiàn)場使用的放大器，第一參數(shù)。在強(qiáng)干

12、擾的工業(yè)現(xiàn)場使用的放大器，第一級最好采用級最好采用UICMAXUICMAX、KCMRKCMR都高的儀用放大器。都高的儀用放大器。(10)-3d(10)-3d帶寬帶寬fHfH 它是集成運(yùn)放的上限截止頻率。例如它是集成運(yùn)放的上限截止頻率。例如F007(CF741)F007(CF741)的的fHfHl00Hzl00Hz(11)(11)單位增益帶寬單位增益帶寬fCfC 它是它是AodAod1 1時(shí)所對應(yīng)的頻率，也就時(shí)所對應(yīng)的頻率，也就是運(yùn)放的增益帶寬積。是運(yùn)放的增益帶寬積。(12)(12)轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率SRSR 它被定義為單位時(shí)間內(nèi)最大輸出電壓的變化。如果在它被定義為單位時(shí)間內(nèi)最大輸出電壓的變化。如

13、果在輸入端加一個(gè)方波，盡管根據(jù)頻率響應(yīng)（小信號參數(shù)），輸入端加一個(gè)方波，盡管根據(jù)頻率響應(yīng)（小信號參數(shù)），應(yīng)該有更快（指數(shù)）的上升時(shí)間，但開始階段的輸出卻是應(yīng)該有更快（指數(shù)）的上升時(shí)間，但開始階段的輸出卻是以其轉(zhuǎn)換速率線性上升的斜坡型電壓，如圖所示。以其轉(zhuǎn)換速率線性上升的斜坡型電壓，如圖所示。SRSR反映反映了運(yùn)放對高速變化的輸入信號的響應(yīng)情況，只有當(dāng)輸入信了運(yùn)放對高速變化的輸入信號的響應(yīng)情況，只有當(dāng)輸入信號變化斜率的絕對值小于號變化斜率的絕對值小于SRSR時(shí)，輸出才能按線性規(guī)律變化，時(shí)，輸出才能按線性規(guī)律變化，否則輸出信號將產(chǎn)生頻率失真。否則輸出信號將產(chǎn)生頻率失真。maxdTduSoRtUuo

14、mosinomomoRUtUdTduSmaxmaxcos(10)(10)，(11)(11)，(12)(12)為集成運(yùn)放的時(shí)域和頻域參數(shù)，這三個(gè)為集成運(yùn)放的時(shí)域和頻域參數(shù)，這三個(gè)參數(shù)主要用于交流放大器的設(shè)計(jì)。參數(shù)主要用于交流放大器的設(shè)計(jì)。（1313）輸出飽和）輸出飽和 過大的輸入電壓將會使輸出呈正飽和或負(fù)飽過大的輸入電壓將會使輸出呈正飽和或負(fù)飽和，飽和電壓的極限值略小于電源電壓。和，飽和電壓的極限值略小于電源電壓。741741型運(yùn)型運(yùn)算放大器的電源電壓為算放大器的電源電壓為15V15V，其輸出將在，其輸出將在+14V+14V或或-14V-14V附近達(dá)到飽和。如果輸出被短路或接以很附近達(dá)到飽和。如

15、果輸出被短路或接以很小的電阻做負(fù)載，輸出電流可能達(dá)到飽和。當(dāng)小的電阻做負(fù)載，輸出電流可能達(dá)到飽和。當(dāng)然，在電流飽和的情況下，其最大輸出電壓將小然，在電流飽和的情況下，其最大輸出電壓將小于或遠(yuǎn)小于正常負(fù)載時(shí)的輸出電壓。于或遠(yuǎn)小于正常負(fù)載時(shí)的輸出電壓。741741型運(yùn)算放型運(yùn)算放大器在大器在101020mA20mA時(shí)出現(xiàn)電流飽和。時(shí)出現(xiàn)電流飽和。例例1 1 假定某運(yùn)放的轉(zhuǎn)移速率為假定某運(yùn)放的轉(zhuǎn)移速率為100V/s,100V/s,輸出幅輸出幅度的最大值為度的最大值為10V10V，求其最大工作頻率。，求其最大工作頻率。反之，如果知道了工作頻率，也可求出不失真反之，如果知道了工作頻率，也可求出不失真的最

16、大輸出幅度，如信號頻率為的最大輸出幅度，如信號頻率為10kHz,10kHz,運(yùn)放的運(yùn)放的轉(zhuǎn)移速率轉(zhuǎn)移速率0.5V/s,0.5V/s,則不失真的最大輸出幅度則不失真的最大輸出幅度MHzVsVUSfomR6 . 11028. 6/1002VkHzsVfSURom8102/5 . 02例例2 Aod2 Aod= 104= 104，當(dāng)，當(dāng)(V+(V+V-)V-)分別為分別為0.001V0.001V和和0.002V0.002V，電源電壓為，電源電壓為15V15V時(shí)，求時(shí)，求VO=VO=？VO=Aod(VVO=Aod(V+ +V-)=104V-)=1040.001V=10 V0.001V=10 VVO=A

17、od(VVO=Aod(V+ +V-)=104V-)=1040.002V=20 V0.002V=20 V（）已飽和已飽和2.2.理想運(yùn)放的性能指標(biāo)及兩個(gè)基理想運(yùn)放的性能指標(biāo)及兩個(gè)基本特性：本特性：odACMRKidrHfRS0IOU0dTdUIO0IOI0dTdIIO0)()(IIII0or(1)(1)運(yùn)放兩輸入端之間為虛短路，即運(yùn)放兩輸入端之間為虛短路，即(2)(2)運(yùn)放兩輸入端之間為虛斷路，即運(yùn)放兩輸入端之間為虛斷路，即)()(IIUU0)()(IIII3.1.3 3.1.3 集成運(yùn)算放大器的分析重點(diǎn)集成運(yùn)算放大器的分析重點(diǎn) 分析集成運(yùn)算放大器時(shí)，首先要明確是分析集成運(yùn)算放大器時(shí)，首先要明確

18、是工作在線性區(qū)還是飽和區(qū)（非線性區(qū)）。工作在線性區(qū)還是飽和區(qū)（非線性區(qū)）。1.1.線性區(qū)：線性區(qū)：)()()(IIodoUUAU 工作在線性區(qū)的集成運(yùn)放有兩個(gè)重要特點(diǎn)：虛短路和工作在線性區(qū)的集成運(yùn)放有兩個(gè)重要特點(diǎn)：虛短路和虛斷路。虛斷路。 2.2.非線性區(qū)：非線性區(qū)： 只要在同相輸入端和反相輸入端之間加無窮小的電壓，只要在同相輸入端和反相輸入端之間加無窮小的電壓，輸出電壓就會超出線性范圍，達(dá)到正向飽和電壓和負(fù)向飽輸出電壓就會超出線性范圍，達(dá)到正向飽和電壓和負(fù)向飽和電壓，輸入電壓與輸出電壓之間不呈線性關(guān)系。和電壓，輸入電壓與輸出電壓之間不呈線性關(guān)系。 工作在非線性區(qū)的集成運(yùn)放有兩個(gè)重要特點(diǎn)：輸出

19、非工作在非線性區(qū)的集成運(yùn)放有兩個(gè)重要特點(diǎn)：輸出非高即低和凈輸入電流為零。高即低和凈輸入電流為零。3.2 3.2 用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)放大器的方法用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)放大器的方法 3.2.1 3.2.1基本反相放大器的設(shè)計(jì)基本反相放大器的設(shè)計(jì) 3.2.2 3.2.2 基本同相放大器的設(shè)計(jì)方法基本同相放大器的設(shè)計(jì)方法 3.2.3 3.2.3 多級交流放大器的設(shè)計(jì)多級交流放大器的設(shè)計(jì)3.2.1 3.2.1 基本反相放大器的設(shè)計(jì)基本反相放大器的設(shè)計(jì)1.1.基本反相放大器的分析基本反相放大器的分析10RRuuAfiu1RRi0/1fidodooRrArRHfidodbwfRrAf)/1 (fRRR/12 電路中電路

20、中R2R2叫平衡電阻，其作用是為了保證集叫平衡電阻，其作用是為了保證集成放大器的兩個(gè)輸入端處于靜態(tài)平衡的工作狀態(tài)，成放大器的兩個(gè)輸入端處于靜態(tài)平衡的工作狀態(tài)，避免因電阻不平衡時(shí)，靜態(tài)輸入偏置電流在電阻避免因電阻不平衡時(shí)，靜態(tài)輸入偏置電流在電阻上產(chǎn)生的壓降不等而引入附加差分輸入電壓。它上產(chǎn)生的壓降不等而引入附加差分輸入電壓。它的求法是：令集成放大器處于靜態(tài)（的求法是：令集成放大器處于靜態(tài)（u0=0u0=0，uiui=0=0），從同相端及反向端向外看對地的電阻應(yīng)），從同相端及反向端向外看對地的電阻應(yīng)相等。所以，相等。所以，R2=R1/RfR2=R1/Rf。2.2.基本反相放大器的設(shè)計(jì)方法基本反相放

21、大器的設(shè)計(jì)方法例例3 3設(shè)計(jì)一個(gè)高輸入阻抗的反相放大器，該電路可設(shè)計(jì)一個(gè)高輸入阻抗的反相放大器，該電路可從直流到從直流到50kHz50kHz的電壓進(jìn)行放大。要求：的電壓進(jìn)行放大。要求：增益：增益：1010和和100100（可用開關(guān)選擇）（可用開關(guān)選擇）頻率響應(yīng)：直流頻率響應(yīng)：直流50kHz50kHz（最小值）（最小值）輸入阻抗：輸入阻抗：10M10M（最小值）（最小值）輸出阻抗：輸出阻抗：1010（最大值）（最大值）輸出電壓和電流：在輸出電壓和電流：在10mA10mA時(shí)為時(shí)為10V10V，最高頻率可，最高頻率可達(dá)達(dá)5kHz5kHz（最小值）（最小值）輸出端的零偏置電壓：輸出端的零偏置電壓：0.

22、1V0.1V（最大值）（最大值） 反相放大器的設(shè)計(jì)程序是：根據(jù)已知的性能指標(biāo)，算出所需反相放大器的設(shè)計(jì)程序是：根據(jù)已知的性能指標(biāo)，算出所需運(yùn)放的一些主要參數(shù)，并選擇運(yùn)放的型號；計(jì)算外圍電路的參數(shù)。運(yùn)放的一些主要參數(shù)，并選擇運(yùn)放的型號；計(jì)算外圍電路的參數(shù)。對于高精度的放大器，還需進(jìn)行誤差分析。對不同的要求的反相對于高精度的放大器，還需進(jìn)行誤差分析。對不同的要求的反相放大器，設(shè)計(jì)方法亦略有差別。一般來講，放大器，設(shè)計(jì)方法亦略有差別。一般來講，R1R1和和RfRf的取值范圍為的取值范圍為1k1k1M1M，放大倍數(shù)的范圍為，放大倍數(shù)的范圍為0.10.1l00l00或或10001000，工作頻率為，工作

23、頻率為0 010kHz10kHz。3.3.基本反相放大器的調(diào)試步驟基本反相放大器的調(diào)試步驟步驟步驟1 1：消除自激振蕩：消除自激振蕩步驟步驟2 2：調(diào)零：調(diào)零步驟步驟3 3：觀察輸出波形：觀察輸出波形 步驟步驟4 4：性能指標(biāo)的測量及調(diào)試：性能指標(biāo)的測量及調(diào)試4.4.反相放大器的性能擴(kuò)展反相放大器的性能擴(kuò)展方法方法1 1：采用：采用T T型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路，如圖所示。型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路，如圖所示。uu+A+oi1R2R4RR31ii24ii3)/1(342142RRRRRRAu 10RRuuAfiu 如本例的元件參數(shù)值取值如下：如本例的元件參數(shù)值取值如下：R2R2100k100k，

24、R3R31k1k，R4R49k9k，要保證閉環(huán)增益，要保證閉環(huán)增益AuAu為為100100，則電阻，則電阻R1R1的取值應(yīng)為的取值應(yīng)為10k10k，電路的輸入電阻即為電路的輸入電阻即為10k10k。同樣參數(shù)條件下，反相比例運(yùn)算電路。同樣參數(shù)條件下，反相比例運(yùn)算電路的電阻的電阻R1R1只能取只能取1k1k，電路的輸入電阻也即為，電路的輸入電阻也即為1k1k。由此可見，。由此可見，采用采用T T型網(wǎng)絡(luò)的反相比例運(yùn)算電路確實(shí)可以提高電路的輸入阻抗。型網(wǎng)絡(luò)的反相比例運(yùn)算電路確實(shí)可以提高電路的輸入阻抗。方法方法2 2：自舉電路：自舉電路 由上例可知，這種電阻無需采用高值電阻，由上例可知，這種電阻無需采用

25、高值電阻，就能同時(shí)滿足高輸入電阻和高放大倍數(shù)的要求。就能同時(shí)滿足高輸入電阻和高放大倍數(shù)的要求。由于由于RiRiR1R1，所以要獲得更高的輸入電阻仍有困，所以要獲得更高的輸入電阻仍有困難。下面自舉電路可以使輸入電阻達(dá)到難。下面自舉電路可以使輸入電阻達(dá)到100M100M左左右。右。 如果輸入回路電流能主要由運(yùn)算電路本身提如果輸入回路電流能主要由運(yùn)算電路本身提供，則向輸入信號源索取的電流就幾乎為零，這供，則向輸入信號源索取的電流就幾乎為零，這對外部信號源來說，相當(dāng)于電路具有很高的輸入對外部信號源來說，相當(dāng)于電路具有很高的輸入電阻，這正是輸入電阻的自舉擴(kuò)展原理。電阻，這正是輸入電阻的自舉擴(kuò)展原理。 自

26、舉電路何謂自舉電路何謂自舉電路? 自舉電路自舉電路是利用反饋使是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為輸入電阻的兩端近似為等電位，等電位，減小向輸入回路索取電流，從而提高減小向輸入回路索取電流，從而提高輸入阻抗的電路。輸入阻抗的電路。是不是所有情況下都要求放大電路具有是不是所有情況下都要求放大電路具有高的輸入阻抗？高的輸入阻抗？ 高輸入阻抗電路常應(yīng)用于傳感器的輸出阻抗很高輸入阻抗電路常應(yīng)用于傳感器的輸出阻抗很高的測量放大電路中。如高的測量放大電路中。如電容式、壓電式傳感電容式、壓電式傳感器器的測量放大電路。的測量放大電路。 A2 A2為主放大器，為主放大器，A1A1為為輔助放大器，輔助放大器，A1A1

27、的輸出電的輸出電流供給流供給R1R1，按照反饋的觀，按照反饋的觀點(diǎn)分析該電路，該電路為點(diǎn)分析該電路，該電路為一個(gè)正反饋電路且有：一個(gè)正反饋電路且有： 由上式可知，當(dāng)由上式可知，當(dāng)時(shí)，時(shí)， 。但是由于上面。但是由于上面電路形成了正反饋，為了電路形成了正反饋，為了防止電路振蕩，應(yīng)使防止電路振蕩，應(yīng)使R R略略大于大于R1R1。若取。若取(R-R1)/R(R-R1)/R為為0.010.01， 則輸入則輸入電阻電阻 。這是基本。這是基本反相放大器無法實(shí)現(xiàn)的指反相放大器無法實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，該電路的主要缺點(diǎn)是標(biāo)，該電路的主要缺點(diǎn)是放大倍數(shù)受到和比值的限放大倍數(shù)受到和比值的限制。制。1RR iRkR101MRi

28、100IIIi112RRAu11RRRRIURiii方法方法3 3：高輸入電阻高增益反相放大器：高輸入電阻高增益反相放大器 若將若將T T型電阻網(wǎng)絡(luò)和自舉擴(kuò)展原理結(jié)合起來，型電阻網(wǎng)絡(luò)和自舉擴(kuò)展原理結(jié)合起來，無疑能組成既有較高的輸入電阻，又有較高的增無疑能組成既有較高的輸入電阻，又有較高的增益，而且不必采用高值電阻的反相放大器。益，而且不必采用高值電阻的反相放大器。11321)/(FFFiRRRRRRRR)/(32FFRRR 111FiRRRRRR若若RlRl100k100k，相對偏差為，相對偏差為0.010.01，則輸入電阻為，則輸入電阻為100M100M；它是相當(dāng)高的，而；它是相當(dāng)高的，而電

29、路的增益也可以很高，而電路的增益也可以很高，而又不采用高值電阻。電路的又不采用高值電阻。電路的主要缺點(diǎn)是匹配電阻要求嚴(yán)主要缺點(diǎn)是匹配電阻要求嚴(yán)格。格。 (2)(2)提高輸出電壓提高輸出電壓 大多數(shù)通用運(yùn)放所用電源電壓為士大多數(shù)通用運(yùn)放所用電源電壓為士15V15V，這使，這使它的輸出電壓的最大線性范圍差不多限定在土它的輸出電壓的最大線性范圍差不多限定在土12V12V，峰一峰值約為，峰一峰值約為24V24V。當(dāng)負(fù)載所需的驅(qū)動(dòng)電壓高于此值時(shí)，除了選用輸出電壓更高。當(dāng)負(fù)載所需的驅(qū)動(dòng)電壓高于此值時(shí)，除了選用輸出電壓更高的特殊運(yùn)放外，也可用通用運(yùn)放來承擔(dān)此項(xiàng)任務(wù)。這時(shí)，可將兩的特殊運(yùn)放外，也可用通用運(yùn)放來

30、承擔(dān)此項(xiàng)任務(wù)。這時(shí)，可將兩只通用運(yùn)放組成差動(dòng)輸出電路、輸出電壓線性范圍可擴(kuò)展一倍，只通用運(yùn)放組成差動(dòng)輸出電路、輸出電壓線性范圍可擴(kuò)展一倍，達(dá)到土達(dá)到土24V24V左右，峰一峰值可達(dá)左右，峰一峰值可達(dá)48V48V左右。左右。iFoURRU123.2.2 3.2.2 基本同相放大器的設(shè)計(jì)方法基本同相放大器的設(shè)計(jì)方法101RRUUAfiu)1 (2FArRIURodidiiifRRRF110oRcuodbwfAAfuuo+uA+ui其最小增益是其最小增益是1 1（R1= R1= ，RfRf=0=0），最大有用增益大），最大有用增益大約為約為102102103103，RfRf的最合的最合適的范圍為適的

31、范圍為2 2100K100K。 1.1.基本同相放大器的分析基本同相放大器的分析2.2.基本同相放大器的設(shè)計(jì)方法基本同相放大器的設(shè)計(jì)方法 由于反相放大器的共模電壓幾乎等于零，而共模抑由于反相放大器的共模電壓幾乎等于零，而共模抑制比為有限值，因此共模電壓對輸出電壓的影響可以忽略。制比為有限值，因此共模電壓對輸出電壓的影響可以忽略。但是同相放大器的同相端和反相端的電壓不是零，加有共但是同相放大器的同相端和反相端的電壓不是零，加有共模信號。因此在設(shè)計(jì)同相放大器時(shí)，對于所選用的集成運(yùn)模信號。因此在設(shè)計(jì)同相放大器時(shí)，對于所選用的集成運(yùn)放除了滿足反相放大器中提出的各項(xiàng)要求外，還要對最大放除了滿足反相放大器

32、中提出的各項(xiàng)要求外，還要對最大共模輸入電壓和共模抑制比提出特殊要求。要求集成運(yùn)放共模輸入電壓和共模抑制比提出特殊要求。要求集成運(yùn)放的共模輸入電壓的最大值必須大于實(shí)際共模信號輸入的最的共模輸入電壓的最大值必須大于實(shí)際共模信號輸入的最大值，要求運(yùn)故有足夠的共模抑制比。當(dāng)給定等效輸入共大值，要求運(yùn)故有足夠的共模抑制比。當(dāng)給定等效輸入共模誤差模誤差UiUi時(shí)，集成運(yùn)放的時(shí)，集成運(yùn)放的KCMRKCMR必須滿足必須滿足，iICCMRUUKICICUUmax例例4 4 設(shè)計(jì)一個(gè)同相放大器，要求設(shè)計(jì)一個(gè)同相放大器，要求Au=200Au=200，RiRi=10k=10k，Ro=0.1kRo=0.1k，bwbw=

33、10kHz=10kHz（小信號）。（小信號）。設(shè)計(jì)考慮：使用一級同相放大器或兩級反向放大設(shè)計(jì)考慮：使用一級同相放大器或兩級反向放大器。一級同相放大器可選用增益帶寬積為器。一級同相放大器可選用增益帶寬積為15MHz15MHz的的318318芯片，可滿足題中增益帶寬積為芯片，可滿足題中增益帶寬積為2MHz2MHz的要求。的要求。兩級反向放大器的增益分別為兩級反向放大器的增益分別為1010和和2020，增益帶寬，增益帶寬積分別為積分別為0.1MHz0.1MHz和和0.2MHz0.2MHz，選，選741741即可滿足要求。即可滿足要求。 3.3.同相放大器的阻塞現(xiàn)象及其預(yù)防同相放大器的阻塞現(xiàn)象及其預(yù)防

34、 在同相放大器工作時(shí)，當(dāng)共模輸入電壓在同相放大器工作時(shí)，當(dāng)共模輸入電壓( (包括輸入信包括輸入信號和干擾信號的共同作用號和干擾信號的共同作用) )瞬間超過運(yùn)放所允許的最大共瞬間超過運(yùn)放所允許的最大共模輸入電壓，會使運(yùn)放反相輸入端的三極管飽和且反相端模輸入電壓，會使運(yùn)放反相輸入端的三極管飽和且反相端變?yōu)橥喽?，?fù)反饋?zhàn)優(yōu)檎答佪敵鲂盘柾ㄟ^反饋電阻變?yōu)橥喽?，?fù)反饋?zhàn)優(yōu)檎答佪敵鲂盘柾ㄟ^反饋電阻反使反相端的三極管進(jìn)一步飽和。結(jié)果輸出端電壓突然增反使反相端的三極管進(jìn)一步飽和。結(jié)果輸出端電壓突然增加，以致近似接近正電源電壓或負(fù)電源電壓的數(shù)值。這時(shí)加，以致近似接近正電源電壓或負(fù)電源電壓的數(shù)值。這時(shí)放大器

35、不能調(diào)零。即使將輸入信號撤除，輸出電壓也將保放大器不能調(diào)零。即使將輸入信號撤除，輸出電壓也將保持不變，過一段時(shí)間后才能使電路恢復(fù)正常工作，這種現(xiàn)持不變，過一段時(shí)間后才能使電路恢復(fù)正常工作，這種現(xiàn)象叫做象叫做“阻塞阻塞”現(xiàn)象。現(xiàn)象。 當(dāng)發(fā)生阻塞現(xiàn)象時(shí)，若當(dāng)發(fā)生阻塞現(xiàn)象時(shí)，若RfRf的阻值較小，由反饋電阻的阻值較小，由反饋電阻RfRf來的電流可能使得輸入級的晶體管燒壞。為了預(yù)防阻塞現(xiàn)來的電流可能使得輸入級的晶體管燒壞。為了預(yù)防阻塞現(xiàn)象，除了選用共模輸入電壓高的運(yùn)放外，還可以采用同相象，除了選用共模輸入電壓高的運(yùn)放外，還可以采用同相端輸入保護(hù)所示的保護(hù)電路，確保輸入端共模電壓不超過端輸入保護(hù)所示的保

36、護(hù)電路，確保輸入端共模電壓不超過運(yùn)放所允許的最大值。運(yùn)放所允許的最大值。3.2.3 3.2.3 多級交流放大器的設(shè)計(jì)多級交流放大器的設(shè)計(jì)例例5 5 設(shè)計(jì)一個(gè)交流放大器，性能指標(biāo)和已知條件設(shè)計(jì)一個(gè)交流放大器，性能指標(biāo)和已知條件如下：中頻放大倍數(shù)如下：中頻放大倍數(shù) ，輸入電阻，輸入電阻 ，通頻帶通頻帶20Hz20Hz10kHz10kHz，最大不失真輸出電壓，最大不失真輸出電壓 ，負(fù)載電阻負(fù)載電阻 。1000uAkRi20VUom5 kRL2mARUILomom5 . 225 因?yàn)槠胀ㄟ\(yùn)放的輸出電流在幾毫安和十幾毫因?yàn)槠胀ㄟ\(yùn)放的輸出電流在幾毫安和十幾毫安之間，故無須用采用擴(kuò)流的方式。安之間，故無須用

37、采用擴(kuò)流的方式。在交流放大器設(shè)計(jì)中，由第一級運(yùn)放工作小信號在交流放大器設(shè)計(jì)中，由第一級運(yùn)放工作小信號條件下，集成運(yùn)放的選擇應(yīng)以滿足交流放大器最條件下，集成運(yùn)放的選擇應(yīng)以滿足交流放大器最高輸入頻率高輸入頻率fmax為根據(jù)，即為根據(jù)，即maxfAfucmaxfAfAuHod 式中，式中，fcfc是運(yùn)放的單位增益帶寬，是運(yùn)放的單位增益帶寬，AodAod是運(yùn)放是運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)，的差模電壓放大倍數(shù)，fHfH是是3d3d帶寬，帶寬，AuAu是放是放大器的放大倍數(shù)，大器的放大倍數(shù)，fmaxfmax是輸入信號的最高頻率。是輸入信號的最高頻率。 在本設(shè)計(jì)中，在本設(shè)計(jì)中，Au1=10Au1=10，fmax

38、fmax=10kHz=10kHz，所以可選用，所以可選用 的運(yùn)放即可。由于第二級的運(yùn)放的運(yùn)放即可。由于第二級的運(yùn)放工作在大信號條件下，選擇運(yùn)放主要是滿足轉(zhuǎn)換速率要求工作在大信號條件下，選擇運(yùn)放主要是滿足轉(zhuǎn)換速率要求kHzfAfuc1001010max1omRUfSmax2在本例中在本例中VUom5kHzf10maxsVSR/314. 0綜上所述，我們選擇綜上所述，我們選擇CF741CF741型運(yùn)放，其主要指標(biāo)型運(yùn)放，其主要指標(biāo)為：為： ， ，滿足設(shè)計(jì)要求。，滿足設(shè)計(jì)要求。sVSR/5 . 0MHzfc1kRRip201kRp102 交流反相放大器需要持別注意輸入電容的選擇。因?yàn)閺妮斀涣鞣聪喾糯?/p>

39、器需要持別注意輸入電容的選擇。因?yàn)閺妮敵龆讼蜉斎攵丝?，耦合電容將?gòu)成為積分滯后反饋網(wǎng)絡(luò)，再加上出端向輸入端看，耦合電容將構(gòu)成為積分滯后反饋網(wǎng)絡(luò)，再加上運(yùn)放本身的延遲，就可能使附加相移達(dá)到運(yùn)放本身的延遲，就可能使附加相移達(dá)到180180，形成正反饋，而，形成正反饋，而引起電路自激。引起電路自激。 也就是說，不論輸入信號的頻率多高，也不能隨意減少耦也就是說，不論輸入信號的頻率多高，也不能隨意減少耦合電容的數(shù)值。對合電容的數(shù)值。對CF741CF741的相移特性要求的相移特性要求 ， Hzf200可取可取C1C1C2C21 1 F F3.3 3.3 信號運(yùn)算電路信號運(yùn)算電路3.3.1 3.3.1 集成

40、運(yùn)算放大器在模擬運(yùn)算中應(yīng)用集成運(yùn)算放大器在模擬運(yùn)算中應(yīng)用3.3.2 3.3.2 集成運(yùn)算放大器在信號測量方面應(yīng)用集成運(yùn)算放大器在信號測量方面應(yīng)用3.3.3 3.3.3 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用技術(shù)集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用技術(shù)3.3.1 3.3.1 集成運(yùn)算放大器在模擬運(yùn)算中應(yīng)用集成運(yùn)算放大器在模擬運(yùn)算中應(yīng)用uuui1+f+R3uAuRoR1+R2i2i11fuRRuo Ui1Ui1單獨(dú)作用單獨(dú)作用i22331f)1 (uRRRRRuo Ui2Ui2單獨(dú)作用單獨(dú)作用i22331fi11f)1(uRRRRRuRRuo 231fRRRR 若若)(i1i21fuuRRuo121RRuuuAfiiou 另外，差

41、分放大器常被用作另外，差分放大器常被用作測量放大器，接受來自測量電橋測量放大器，接受來自測量電橋的電壓。在自動(dòng)控制中，將控制的電壓。在自動(dòng)控制中，將控制信號送到輸入端并且與給定基準(zhǔn)信號送到輸入端并且與給定基準(zhǔn)信號一起作為差分放大器的輸入信號一起作為差分放大器的輸入信號，經(jīng)放大后去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，信號，經(jīng)放大后去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并將放大后的信號反饋回輸入端并將放大后的信號反饋回輸入端及時(shí)調(diào)整凈輸入信號，以達(dá)到高及時(shí)調(diào)整凈輸入信號，以達(dá)到高精度自動(dòng)控制目的。精度自動(dòng)控制目的。 差分放大器輸入端有較高差分放大器輸入端有較高的共模輸入電壓，因此要求外接的共模輸入電壓，因此要求外接元件的對稱性要好，以便抑制

42、共元件的對稱性要好，以便抑制共模分量。模分量。1.1.差分放大器差分放大器什么是差動(dòng)放大器？什么是差動(dòng)放大器？ 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器是把二個(gè)輸入信號分別輸入到運(yùn)是把二個(gè)輸入信號分別輸入到運(yùn)算放大器的同相和反相二個(gè)輸入端，然后在算放大器的同相和反相二個(gè)輸入端，然后在輸出端取出二個(gè)信號的差模成分，而盡量抑輸出端取出二個(gè)信號的差模成分，而盡量抑制二個(gè)信號的共模成分。制二個(gè)信號的共模成分。差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器 基本電路 共模與差模輸入R3uoR4ui2R1-+N1R2ui1R3uoR4ud/2R1-+N1R2ud/2uic差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器0R3R4ui2R1uoR2ui1等效電路ud= ui1ui

43、2 , uic=(ui1+ ui2)/2由等效電路可得uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1 若R1=R2，R3=R4，則uo=(R3/R1) ud即只對差模信號進(jìn)行放大只對差模信號進(jìn)行放大假設(shè)放大器只有共模信號作用時(shí)uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic(R3/R1)uic當(dāng)R1=R2，R3+R4時(shí)，uoc=0即輸出信號中無共模信號成分輸出信號中無共模信號成分2 2相加放大器相加放大器uuu0u2RAfofRi2+i+i2uR+i1Ri11fo2i21i1RuRuRu)(i22fi11fouRRuRRu，若RRR21)(i2i1fouuRRuuu

44、uuRi1RRf+i1A+ofiu+i2R122i2111 i212)()(uRRRuRRRuRRAfu1)()(1 (2i2111 i212fouRRRuRRRRRuAuu時(shí)當(dāng)RRRRf212ioi1uuu同相輸入加法電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋，具有較高的同相輸入加法電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋，具有較高的輸入電阻，這是它的一個(gè)顯著特點(diǎn)，但其輸入端會有輸入電阻，這是它的一個(gè)顯著特點(diǎn)，但其輸入端會有共模輸入電壓，當(dāng)共模輸入電壓很大時(shí)，共模抑制比共模輸入電壓，當(dāng)共模輸入電壓很大時(shí)，共模抑制比下降，嚴(yán)重時(shí)會使輸出無法正常工作，應(yīng)引起重視。下降，嚴(yán)重時(shí)會使輸出無法正常工作，應(yīng)引起重視。uuu0fuuRi1RR

45、oiA+1+R2fAR+uu+Ri2uOA/2R3 3減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路 減法運(yùn)算電路可以由單級減法運(yùn)算電路可以由單級差分放大器構(gòu)成，考慮輸入信差分放大器構(gòu)成，考慮輸入信號同時(shí)加在同相輸入端和反相號同時(shí)加在同相輸入端和反相輸入端，存在共模輸入電壓過輸入端，存在共模輸入電壓過大問題，這里采用兩級反相放大問題，這里采用兩級反相放大器來構(gòu)成減法運(yùn)算電路，可大器來構(gòu)成減法運(yùn)算電路，可使輸入端共模電壓減小。使輸入端共模電壓減小。)(2fi11fOAouRRuRRu22iiOAuuRRui11fi22fi22fi11f)(uRRuRRuRRuRRuo fRRR21當(dāng)12iiouuu（一）利用加法運(yùn)算

46、電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算（二）用單一運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算（二）用單一運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算4 4積分和微分運(yùn)算電路積分和微分運(yùn)算電路uu+oiiAC+iR1RCuC 積分電路可以實(shí)積分電路可以實(shí)現(xiàn)對輸入信號的積分現(xiàn)對輸入信號的積分運(yùn)算，利用它的充放運(yùn)算，利用它的充放電過程，可以實(shí)現(xiàn)延電過程，可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)、定時(shí)以及產(chǎn)生各時(shí)、定時(shí)以及產(chǎn)生各種波形。波形變換、種波形。波形變換、振蕩電路、壓控振蕩振蕩電路、壓控振蕩器以及器以及A/DA/D轉(zhuǎn)換等許轉(zhuǎn)換等許多電子電路都用到它，多電子電路都用到它，是一個(gè)重要的基本運(yùn)是一個(gè)重要的基本運(yùn)算電路。算電路。dtRuCdtiCuuiCC110當(dāng)求某一段積分值時(shí)當(dāng)求某一段積

47、分值時(shí) )(1121tudtuRCuottio（一）反相積分電路反相積分電路b)UUUURRCoNPiPNc)UUURSRSRCo111222fNUIcUIiRCoia)N（二）具有特殊性能的積分電路具有特殊性能的積分電路1、增量積分電路、增量積分電路（比例積分電路比例積分電路）-+NR1R1R2R2CCI1I1UiUoa)UoUiOOttUib)R2R1R2R1Ui2、多重積分運(yùn)算電路、多重積分運(yùn)算電路-+NUiUoCCRRI1I3I3I5I2I42CR/2U1U2C/2-+NUiUoCC2RRCRCR/24RR/2 上式表明輸出電壓與輸入上式表明輸出電壓與輸入信號電壓的微分成正比。信號電壓

48、的微分成正比。RCRC為為微分時(shí)間常數(shù)，負(fù)號表示輸出微分時(shí)間常數(shù)，負(fù)號表示輸出與輸入反向。理想的微分電路，與輸入反向。理想的微分電路，其反饋回路對高頻產(chǎn)生接近其反饋回路對高頻產(chǎn)生接近9090度的相位滯后，它與運(yùn)算放大度的相位滯后，它與運(yùn)算放大器的滯后結(jié)合在一起，很容易器的滯后結(jié)合在一起，很容易使電路自激振蕩，所以一般要使電路自激振蕩，所以一般要在電阻在電阻R R上并聯(lián)一個(gè)容量很小上并聯(lián)一個(gè)容量很小的電容的電容C2C2，如圖虛線所示，以，如圖虛線所示，以限制噪聲和輸入突變電壓，并限制噪聲和輸入突變電壓，并進(jìn)行相位補(bǔ)償。這樣就將理想進(jìn)行相位補(bǔ)償。這樣就將理想微分電路改造成對輸入信號具微分電路改造成

49、對輸入信號具有一定線性范圍的微分電路。有一定線性范圍的微分電路。dtduCiiCRiuodtduRCuioc)高輸入阻抗微分電路UURRCCoiNb)實(shí)用微分電路URRCC1i1NoUa)基本微分電路UURCoiN PID電路電路什么是什么是PID電路？電路？PIDPID（比例（比例積分積分微分）電路又稱為微分）電路又稱為PIDPID調(diào)節(jié)器，是調(diào)節(jié)器，是一種常見的控制電路。調(diào)節(jié)器的任務(wù)是將一定的物理一種常見的控制電路。調(diào)節(jié)器的任務(wù)是將一定的物理量（被調(diào)節(jié)參數(shù)量（被調(diào)節(jié)參數(shù)X X）調(diào)節(jié)到預(yù)先給定的理論值（或稱）調(diào)節(jié)到預(yù)先給定的理論值（或稱額定值額定值W W），并克服干擾的影響保持這一值。），并克

50、服干擾的影響保持這一值。干擾參數(shù)X+-W X-WY Z+ZY對 象ASAR被調(diào)參數(shù)調(diào)節(jié)偏差調(diào) 節(jié) 器調(diào)節(jié)參數(shù)額定值例例6 6 如圖如圖3.233.23所示電路，所示電路， Ui1=1.1VUi1=1.1V，Ui2=1VUi2=1V。試。試問接入輸入電壓后，輸出電壓問接入輸入電壓后，輸出電壓UoUo由由0 0上升到上升到10 V10 V所所需的時(shí)間。需的時(shí)間。VuuuiiO2 . 0)(102012110)(1100tudtuRCutiOst1例例7 7 求圖求圖3.243.24中輸入與輸出之間的關(guān)系。中輸入與輸出之間的關(guān)系。 電路前半部分為典型積分運(yùn)算電路，后半部電路前半部分為典型積分運(yùn)算電路

51、，后半部分為典型微分運(yùn)算電路，兩個(gè)電路互為逆運(yùn)算。分為典型微分運(yùn)算電路，兩個(gè)電路互為逆運(yùn)算。所以有所以有U0=UiU0=Ui。例例8 8設(shè)計(jì)一個(gè)積分運(yùn)算電路，用以將方波變成三角波。已設(shè)計(jì)一個(gè)積分運(yùn)算電路，用以將方波變成三角波。已知輸入方波的幅值為知輸入方波的幅值為2V2V，周期為，周期為1mS1mS。畫出電路圖并計(jì)算。畫出電路圖并計(jì)算元件參數(shù)。元件參數(shù)。1041 . 050212)(11101即，時(shí)當(dāng)CkRtRCUVUtUdtURCUoiOtiOuu+oiiAC+iR1RCuC5 5對數(shù)和反對數(shù)運(yùn)算電路對數(shù)和反對數(shù)運(yùn)算電路TbeTbeUuSUuSTeIeIi/) 1(Ruii1obeuuTii

52、 1RIuUuSiToln其中，其中，UTUT是溫度電壓當(dāng)量，是溫度電壓當(dāng)量，UTUT26mV26mV，ISIS為為PNPN結(jié)反向結(jié)反向飽和電流。可見，輸出電飽和電流?？梢?，輸出電壓與輸入電壓的對數(shù)成比壓與輸入電壓的對數(shù)成比例，這里應(yīng)當(dāng)注意：只有例，這里應(yīng)當(dāng)注意：只有當(dāng)當(dāng)uiui0 0時(shí)，對數(shù)運(yùn)算電時(shí)，對數(shù)運(yùn)算電路才能正常工作。若路才能正常工作。若uiui0 0，需將，需將NPNNPN型三極管換成型三極管換成PNPPNP型三極管。型三極管。 對數(shù)運(yùn)算電路廣泛應(yīng)用于對數(shù)運(yùn)算電路廣泛應(yīng)用于測量、記錄儀器等設(shè)備中。當(dāng)測量、記錄儀器等設(shè)備中。當(dāng)處理動(dòng)態(tài)范圍比較大的信號時(shí)，處理動(dòng)態(tài)范圍比較大的信號時(shí)，可

53、利用對數(shù)運(yùn)算電路產(chǎn)生與輸可利用對數(shù)運(yùn)算電路產(chǎn)生與輸入信號幅度的對數(shù)成正比的輸入信號幅度的對數(shù)成正比的輸出，以方便測量和記錄。出，以方便測量和記錄。 二極管的電流是其端電壓的指二極管的電流是其端電壓的指數(shù)函數(shù)，那么端電壓就是電流的對數(shù)函數(shù)，那么端電壓就是電流的對數(shù)函數(shù)。在反相放大器中，用三極數(shù)函數(shù)。在反相放大器中，用三極管代替反饋電阻管代替反饋電阻RfRf，如圖所示，則，如圖所示，則可實(shí)現(xiàn)對數(shù)運(yùn)算?？蓪?shí)現(xiàn)對數(shù)運(yùn)算。CUuSUuSTieIeIiTiTeb/1iiCRiuo1TiUuSoIuRe可見，輸出電壓與輸入電壓成指數(shù)關(guān)系，也就是反對數(shù)可見，輸出電壓與輸入電壓成指數(shù)關(guān)系，也就是反對數(shù)關(guān)系。同樣

54、，電路只有關(guān)系。同樣，電路只有uiui0 0時(shí)才能正常工作。時(shí)才能正常工作。3.3.2 3.3.2 集成運(yùn)算放大器在信號測量方面的應(yīng)用集成運(yùn)算放大器在信號測量方面的應(yīng)用1 1直流電壓、電流及電阻的測量直流電壓、電流及電阻的測量 當(dāng)用集成運(yùn)算放大器和磁電式電流表（又稱表頭）所當(dāng)用集成運(yùn)算放大器和磁電式電流表（又稱表頭）所構(gòu)成測量儀表時(shí)，它具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高，線性度好構(gòu)成測量儀表時(shí)，它具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高，線性度好及輸入電阻高等特點(diǎn)，尤其是在精密測量微小電壓和電流及輸入電阻高等特點(diǎn)，尤其是在精密測量微小電壓和電流時(shí)，顯示出了它的優(yōu)良性能。時(shí)，顯示出了它的優(yōu)良性能。xuuuRuiixG考慮表頭

55、是一塊滿偏電流為考慮表頭是一塊滿偏電流為100A100A的直流微安表，并且假設(shè)的直流微安表，并且假設(shè)R R1010，則所測電壓則所測電壓uxux的滿量程值為的滿量程值為mVARIuGx110100在上述測量電路基礎(chǔ)上，在上述測量電路基礎(chǔ)上，增加電阻分壓器來擴(kuò)大量增加電阻分壓器來擴(kuò)大量程可以構(gòu)成多量程直流電程可以構(gòu)成多量程直流電壓表，如下圖所示。分壓壓表，如下圖所示。分壓后的各檔電壓在同相輸入后的各檔電壓在同相輸入端的值端的值U U均不應(yīng)超過均不應(yīng)超過1mV1mV。當(dāng)被測輸入電壓當(dāng)被測輸入電壓uxux10mV10mV時(shí)，并且時(shí)，并且U U1mV1mV，可，可求出電阻求出電阻R2R2，有，有121

56、RRRuuxkkRuuRx900100) 1110() 1(12 這樣就能擴(kuò)大測量量程，用這樣就能擴(kuò)大測量量程，用100A100A的表頭的表頭測量測量10mV10mV的電壓值。圖中由于同相輸入方式輸?shù)碾妷褐?。圖中由于同相輸入方式輸入電阻非常大，所以可看作是內(nèi)阻無窮大的直入電阻非常大，所以可看作是內(nèi)阻無窮大的直流電壓表。它幾乎不從被測電路吸收電流，測流電壓表。它幾乎不從被測電路吸收電流，測量精度非常高。量精度非常高。按照電壓表設(shè)計(jì)方法，同樣可以按照電壓表設(shè)計(jì)方法，同樣可以獲得性能較好的直流電流表，如獲得性能較好的直流電流表，如圖所示?？梢?，表頭滿偏可顯示圖所示?？梢?，表頭滿偏可顯示出小于被測電流

57、值，所以提高了出小于被測電流值，所以提高了電流表的靈敏度。利用放大器和電流表的靈敏度。利用放大器和100A100A的表頭構(gòu)成的直流電流表，的表頭構(gòu)成的直流電流表，可達(dá)到量程可達(dá)到量程10A10A電流，這是普電流，這是普通微安表所達(dá)不到的。通微安表所達(dá)不到的。 當(dāng)表內(nèi)接入電源當(dāng)表內(nèi)接入電源EoEo，再經(jīng)電，再經(jīng)電阻阻RoRo作用于待測電阻作用于待測電阻RxRx上，所產(chǎn)上，所產(chǎn)生的電壓生的電壓uxux送入同相輸入端。送入同相輸入端。 )(xooxxxRfERRRu由于由于uxux是是RxRx的函數(shù)，經(jīng)過微安表的電流也是的函數(shù)，經(jīng)過微安表的電流也是RxRx的函數(shù)，所以微安表頭可以按電阻值刻度。當(dāng)?shù)暮?/p>

58、數(shù)，所以微安表頭可以按電阻值刻度。當(dāng)被測電阻被測電阻RxRx時(shí)，時(shí)，uxuxEoEo，這時(shí)應(yīng)當(dāng)使表頭，這時(shí)應(yīng)當(dāng)使表頭滿偏，故滿偏，故EoEo應(yīng)等于應(yīng)等于1mV1mV。 將上述測量電壓、電流及電將上述測量電壓、電流及電阻的電路組合在一起，就可阻的電路組合在一起，就可構(gòu)成用運(yùn)算放大器組成的萬構(gòu)成用運(yùn)算放大器組成的萬用表。用表。2.2.絕對值運(yùn)算電路絕對值運(yùn)算電路 Io= Ui /RUOoUiNUiUoUNRIoVD1VD3VD2VD4mA絕對值檢測電路絕對值檢測電路當(dāng)輸入信號當(dāng)輸入信號UiUi為正極性為正極性時(shí)，因時(shí)，因AlAl是是反向輸入，反向輸入，因此因此D2D2截截止止,D1,D1導(dǎo)通。導(dǎo)通

59、。此時(shí)，輸出此時(shí)，輸出電壓為電壓為)(56146RRUURRUoioioURRU12121RR 5462RRR， iiioUURRURRU)(5646當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓UiUi為為負(fù)極性時(shí)負(fù)極性時(shí)D1D1截截止，止，D2D2導(dǎo)通、則導(dǎo)通、則Uo1Uo1被被D1D1切斷，不切斷，不能輸入到能輸入到A2A2的輸?shù)妮斎攵?。此時(shí)相入端。此時(shí)相應(yīng)的輸出電壓應(yīng)的輸出電壓UoUo為為iioUURRU460iUioUU 可見，不論可見，不論輸入信號極性輸入信號極性如何輸出信如何輸出信號總為正，且號總為正，且數(shù)值上等于輸數(shù)值上等于輸入信號的絕對入信號的絕對值。即實(shí)現(xiàn)了值。即實(shí)現(xiàn)了絕對值運(yùn)算。絕對值運(yùn)算。RUI

60、io電流輸出的全波線性絕對值電路電流輸出的全波線性絕對值電路3.3.平均值運(yùn)算電路平均值運(yùn)算電路 在電路中有兩種求平均值的情況。一種是求若在電路中有兩種求平均值的情況。一種是求若干信號的加權(quán)平均值，它可用相加電路實(shí)現(xiàn)。另干信號的加權(quán)平均值，它可用相加電路實(shí)現(xiàn)。另一種是求一個(gè)信號在某一時(shí)段內(nèi)的平均值。一種是求一個(gè)信號在某一時(shí)段內(nèi)的平均值。4.4.峰值保持器峰值保持器N1UiUoUCR1VDSCN2例例9 9為了響應(yīng)其電壓幅度的范圍為為了響應(yīng)其電壓幅度的范圍為0.10.11.0V1.0V的輸入脈沖，的輸入脈沖，試設(shè)計(jì)一個(gè)峰值讀出裝置。其輸入阻抗必須為試設(shè)計(jì)一個(gè)峰值讀出裝置。其輸入阻抗必須為100K