运算放大器基本 原理

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1、运算放大器基本原理及应用一．原理(一）运算放大器1.原理运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级。图1运算放大器的特性曲线图2运算放大器输入输出端图示图1是运算放大器的特性曲线，一般用到的只是曲线中的线性部分。如图2所示。U-对应的端子为“-”，当输入U-单独加于该端子时，输出电压与输入电压U-反相，故称它为反相输入端。U+对应的端子为“＋”

2、，当输入U+单独由该端加入时，输出电压与U+同相，故称它为同相输入端。输出：U0=A(U+-U-)；A称为运算放大器的开环增益（开环电压放大倍数）。在实际运用经常将运放理想化，这是由于一般说来，运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得到:开环电压增益Aud=∞；输入阻抗ri=∞；输出阻抗ro=0；带宽fBW=∞；失调与漂移均为零等理想化参数。2.理想运放在线性应用时的两个重要特性输出电压UO与输入电压之间满足关系式：UO＝Aud（U+－U－）,由于Aud=∞，而UO为有限值，因此，U+－U－≈0。即U+≈U－，称为“虚短

3、”。由于ri=∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即IIB＝0，称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。3.运算放大器的应用(1)比例电路所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路，比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。(a)反向比例电路反向比例电路如图3所示，输入信号加入反相输入端:图3反向比例电路电路图对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为：为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R’＝R1//RF。输出电压U0与输入电压U

4、i称比例关系，方向相反，改变比例系数，即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值。反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求。(b)同向比例电路同向比例电路如图4所示，跟反向比例电路本质上差不多，除了同向接地的一段是反向输入端:图4同相比例电路电路图它的输出电压与输入电压之间的关系为：；R’＝R1//RF只要改变比例系数就能改变输出电压，且Ui与U0的方向相同，同向比例电路对集成运放的共模抑制比要求高。(c)差动比例电路差动比例电路如图5所示，输入信号分别加在反相输入端和同相输入端:图5差动比例电路电路图其输入和输出的关系为：可以看出它实际完成的是：对输入两

5、信号的差运算。(2)和/差电路(a)反相求和电路其电路图如图6所示（输入端的个数可根据需要进行调整）:图6反相求和电路图其中电阻R'满足：它的输出电压与输入电压的关系为：它的特点与反相比例电路相同，可以十分方便的通过改变某一电路的输入电阻，来改变电路的比例关系，而不影响其它支路的比例关系。(b)同相求和电路其电路如图7所示（输入端的个数可根据需要进行调整）:图7同向求和电路图它的输出电压与输入电压的关系为：它的调节不如反相求和电路，而且它的共模输入信号大，因此它的应用不很广泛。(c)和差电路其电路图如图8所示,此电路的功能是对Ui1、Ui2进行反相求和，对Ui3

6、、Ui4进行同相求和，然后进行的叠加即得和差结果。图8和差电路图它的输入输出电压的关系是：由于该电路用一只集成运放，它的电阻计算和电路调整均不方便，因此我们常用二级集成运放组成和差电路。它的电路图如图9所示:图9二级集成和差电路图它的输入输出电压的关系是：       它的后级对前级没有影响（采用理想的集成运放），它的计算十分方便。(3)积分电路和微分电路(a)积分电路  其电路图如图10所示：它是利用电容的充放电来实现积分运算，可实现积分运算及产生三角波形等。图10积分电路图它的输入、输出电压的关系为：其中:表示电容两端的初始电压值.如果电路输入的电压波形是方

7、形，则产生三角波形输出。(b)微分电路微分是积分的逆运算，它的输出电压与输入电压呈微分关系。电路如图11所示:图11微分电路图它的输入、输出电压的关系为：(4)对数和指数运算电路(a)对数运算电路对数运算电路就是是输出电压与输入电压呈对数函数。我们把反相比例电路中Rf用二极管或三级管代替级组成了对数运算电路。电路图如图12所示：图12对数运算电路它的输入、输出电压的关系为（也可以用三级管代替二极管）:(b)指数运算电路指数运算电路是对数运算的逆运算,将指数运算电路的二极管(三级管)与电阻R对换即可。电路图如13所示:图13指数运算电路它的输入、输出电压的关系为：

8、利用对数和指数运算以及比