运算放大器16个基本运算电路

一、电路原理分析与计算1.反相比例运算电路输入信号从反相输入端引入的运算，便是反相运算。反馈电阻RF跨接在输出端和反相输入端之间。根据运算放大器工作在线性区时的虚开路原则可知：i-＝0，因此i1＝if。电路如图1所示，R110kΩV1500mVU1ATL082CD32481R29.1kΩRF100kΩV212VV312VXMM1图1根据运算放大器工作在线性区时的虚短路原则可知：u-＝u+＝0。由此可得：01fiRuuR因此闭环电压放大倍数为：1ofuoiuRAuR2.同相比例运算电路输入信号从同相输入端引入的运算，便是同相运算。电路如图2所示，U1ATL082CD32481R210kΩRF10kΩV212VV312VXMM1Ui1100mV图2根据运算放大器工作在线性区时的分析依据：虚短路和虚开路原则因此得：1(1)foiRuuR开环电压放大倍数11ofufiuRAuR3.反相输入加法运算电路在反相输入端增加若干输入电路，称为反向输入加法运算电路。电路如图3所示，R110kΩUi2200mVU1ATL082CD32481R24.7kΩRF100kΩV212VV312VXMM1Ui1100mVR310kΩ图3计算公式如下，1212()ofuuuRRR平衡电阻213////fRRRR,当13fRRR时，输出电压012()uuu4.减法运算电路减法运算电路如图4所示，输入信号1iu、2iu分别加至反相输入端和同相输入端，这种形式的电路也称为差分运算电路。R110kΩUi1100mVU1ATL082CD32481R2100kΩRF100kΩV212VV312VXMM1Ui2200mVR310kΩ图4输出电压为：2211231(1)ffoiiRRRuuuRRRR当123fRRRR时，输出电压21oiiuuu5.微分运算电路微分运算电路如图5所示，R11kΩU1ATL082CD32481V212VV312VXFG1XSC1ABExtTrig++__+_C122nFC222nFR215kΩ图5电路的输出电压为ou为：21ioduuRCdt式中，21RC为微分电路的时间常数。若选用集成运放的最大输出电压为OMU,则21RC的值必须满足：21max()OMiURCdudt6.积分运算电路积分运算电路如图6所示，R110kΩU1ATL082CD32481V212VV312VR350kΩXFG1XSC1ABExtTrig++__+_C110uF图6其输出电压ou为：111oiuudtRC式中，11RC为电路的时间常数。由于受到集成运放最大输出电压OMU的限制，选择1R、1C参数3，其值必须满足：111iOMRCudtU7.二阶低通滤波电路二阶低通滤波电路如图7所示，图R110kΩU1ATL082CD32481V212VV312VC147nFC247nFR210kΩR327.4kΩR447.5kΩV1120Vrms60Hz0°XBP1INOUT7滤波电路的传递函数为：22()2ufnsnnAAssQ，nsj通带增益341ufRAR固有角频率12121nRRCC品质因数121221211()(1)ufRRCCQCRRARC8.二阶高通滤波电路二阶高通滤波电路如图8所示，R110k¦¸U1ATL082CD32481V212VV312VC14.7nFC24.7nFR210k¦¸R327.4k¦¸R447.5k¦¸V1120Vrms60Hz0¡ãXBP1INOUT图8滤波电路的传递函数为：22()2usnnAfsAssQ通带增益341ufRAR固有角频率12121nRRCC品质因数212221/()(1)nufQRCCARC9.二阶带通滤波电路二阶带通滤波电路如图9所示，R110kΩU1ATL082CD32481V212VV312VC110nFC247nFR210kΩR327.4kΩR447.5kΩV1120Vrms60Hz0°XBP1INOUTR520kΩ图9带通滤波器的中心频率0f、等效品质因数Q以及同频带BW分别为：12ofRC,1/(3)ufQA，/oBWfQ式中，11/ufFARR为同相比例放大电路的电压增益。同样要求ufA必须小于3，电路才能稳定工作，当off时，带通滤波器具有最大电压增益uoA，其值为：/(3)uoufufAAA10.二阶带阻滤波电路二阶带阻滤波电路如图10所示，R110kΩU1ATL082CD32481V212VV312VC11nFC22nFR210kΩR3210kΩR449.9kΩV1120Vrms60Hz0°XBP1INOUTR55.1kΩC31nF图10带阻滤波器的中心频率0f、等效品质因数Q以及同频带BW分别为：12ofRC，12(2)ufQA，/oBWfQ式中，11/ufFARR，为同相比例放大电路的电压增益。若1ufA，则0.5Q，增加ufA时，Q将随之升高。当ufA趋近2时，Q趋向无穷大。而带阻滤波器的品质因数越大，阻带宽度越窄，其阻带特性越接近理想状态。11.过零电压比较电路过零电压比较电路如图11所示，R110kΩU1ATL082CD32481V212VV312VXFG1XSC1ABExtTrig++__+_R25.1kΩD1RD5.6D2RD5.6图11令参考电平U=0，则输入信号iU与零比较，当输入电压iU过零时，比较器发生翻转。iU0，输出则为低电平；而iU0，输出则为高电平。这种电路可作为零电平检测器。该电路也可用于“整形”，将不规则的输入波形整形成规则的矩形波。12.滞回比较电路滞回比较电路如图12所示，电路有两个阀值电压，输入电压iU从小变大过程中使输出电压oU产生跃变的阀值电压1TU,不等于从大变小过程中使输出电压oU产生跃变的阀值电压2TU，电路具有滞回性。从集成运放输出端的限幅电路可以看出，ozuU。集成运放反相输入端电位1Nuu，同相输入电位112pZRuURR令Npuu，求出的Iu就是阀值电压，得112TZRUURRR110kΩU1ATL082CD32481V212VV312VXFG1XSC1ABExtTrig++__+_R25.1kΩD1RD5.6D2RD5.6R310kΩR4100kΩ图12当输入电压iU与输出电压oU在E点合成的电压过零时，比较器发生翻转。433434ioEUUURRRRRR电路翻转时EU=0，代入上式有：34ioRUUR13.音响的音调控制电路音响的音调控制电路如图13所示，R143.5kΩU1ATL082CD32481V212VV312VC1240pFV10.71Vrms100Hz0°R251kΩC210nFC36.2nFR3510kΩR433kΩRP1500kΩKey=A60%RP2500kΩKey=A50%C46.2nFXSC1ABExtTrig++__+_图13其实质是对放音通道频响特性实施控制。音调的控制不像音量控制,它只对某一段频率的信号进行提升或衰减,不影响其它频段信号的输出,而音量是对整个音频信号频率范围进行同步控制。14.半波整流电路半波整流电路如图14所示，R110kΩU1ATL082CD32481V212VV312VR39kΩR250kΩD11N4148D21N4148XFG1XSC1ABExtTrig++__+_图14由反相比例运算电路和二极管的性质可知，电路是通负值的交流电，当输入电压为正值时输出电压为0，当输入电压为正值是输出电压为：21oiRuuR15.全波整流电路全波整流电路如图15所示，R110kΩV212VV312VR39kΩR220kΩD11N4148D21N4148XFG1U1ATL082CD32481U1BTL082CD56487R410kΩR510kΩR630kΩR79kΩXSC1ABExtTrig++__+_图15全波整流电路是一种对交流整流的电路，能够把交流转换成单一方向电流，最少由两个整流器合并而成，一个负责正方向，一个负责负方向，最典型的全波整流电路是由四个二极管组成的整流桥，一般用于电源的整流。全波整流输出电压的直流成分（较半波）增大，脉动程度减小，但变压器需要中心抽头、制造麻烦，整流二极管需承受的反向电压高，故一般适用于要求输出电压不太高的场合。16.三运放构成的放大器电路三运放构成的放大器电路如图16所示，R110kΩV212VV112VU1ATL082CD32481U1BTL082CD56487R210kΩR310kΩR410kΩU2ATL082CD32481V312VV412VR510kΩR610kΩR710kΩXFG1R8100kΩR9100kΩXSC1Tektronix1234TGP图16电路中，46RRR,57fRRR，输出电压为：11222(1)()foiiRRuuuRR当12iiuuu时，2R中电流为零，输出电压为零。可见，电路放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数数值越大，共模抑制比越高。当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。二、仿真结果1.反相比例运算电路按图1接好，仿真结果如图17所示。图172.同相比例运算电路按图2接好，仿真结果如图18所示。图183.反相输入加法运算电路按图3接好，仿真结果如图19所示。图194.减法运算电路按图4接好，仿真结果如图20所示。图205.微分运算电路按图5接好，输入100Hz/2V的方波，仿真结果如图21所示。图216.积分运算电路按图6接好，输入100Hz/2V的方波，仿真结果如图22所示。图227.二阶低通滤波电路按图7接好，仿真结果如图23所示。图238.二阶高通滤波电路按图8接好，仿真结果如图24所示。图249.二阶带通滤波电路按图9接好，仿真结果如图25所示。图2510.二阶带阻滤波电路按图10接好，仿真结果如图26所示。图2611.过零电压比较电路按图11接好，信号源输入2V/100Hz的正弦波，仿真结果如图27所示。图2712.滞回比较电路按图12接好，仿真结果如图28所示。图2813.音响的音调控制电路按图13接好，输入100Hz，0.71V的信号，仿真结果如图29所示。图2914.半波整流电路按图14接好，输入一个100Hz/100mV的信号，仿真结果如图30所示。图3015.全波整流电路按图15接好，输入一个100Hz/100mV的信号，仿真结果如图31所示。图3116.三运放构成的放大电路按图16接好，输入一个100Hz/100mV信号，仿真结果如图32所示。图32三、心得体会在做实验前,一定要将课本上的知识吃透,因为这是做实验的基础,否则,在老师讲解时就会听不懂,这将使你在做实验时的难度加大,浪费做实验的宝贵时间.做实验时,一定要亲力亲为,务必要将每个步骤,每个细节弄清楚,弄明白,实验后,还要复习,思考,这样,你的印象才深刻,记得才牢固,否则,过后不久你就会忘得一干二净,这还不如不做.老师将一些课本上没有的知识教给我们,拓宽我们的眼界,使我们认识到这门课程在生活中的应用是那么的广泛.通过这次测试技术的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅.在实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题，和解决问题的能力。培养这种能力的前题是你对每次实验的态度。如果你在实验这方面很随便，抱着等老师教你怎么做，拿同学的报告去抄，尽管你的成绩会很高，但对将来工作是不利的。比如在做回转机构实验中，经老师检查，我们的时域图波形不太合要求，我首先是改变振动的加速度，发现不行，再改变采样频率及采样点数，发现有所改善，然后不断提高逼近，最后解决问题，兴奋异常。在写实验报告，对于思考题，有很多不懂，于是去问老师，老师的启发了我，其实答案早就摆在报告中的公式，电路图中，自己要学会思考。四、参考文献[1]杨霓清.高频电子线路实验及综合设计.