运算放大器的简单应用.docx

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1、运算放大器的简单应用一、运算放大器简介运算放大器（常简称为“运放”）是一种在电路中有着广泛用途的多段电路器件， 可以用它执行许多线性和部分非线性工作。例如用于模拟计算机、V/I或I/V转换器、 直流仪表放大器、有源滤波器等。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算, 故得名“运算放大器”。运放有两个输入端a, b和一个输出端。也分别称为反相输入端，同相输入端 和输出端。为了区别起见,a端和b端分别用和号标出。运放的电路符号如下。（反相输O入端）_ 0 8-|0。（显出端）十图1运算放大器一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高 阻抗输入端的高增益直接耦合电压

2、放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分 放大器。运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出 可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放， 输出在电源与地之间的某一范围变化。由于运放的直流工作电源对分析其输入输出关 系并无影响，故通常省略不画。运算放大器的一个主要特征是高放大倍数，即输出电压与输入电压的比值。当运放在线 性工作区工作时，输出电压与输入电压成正比：Uo=A d比例系数A为一常数，称为运算放大器的放大倍数。运放在线性工作区工作时，放大倍数 A很大，典型值是105108。此时可视为A8。由此可得Uab=0,即Ua=Ub，

3、此情形成为 理想运放的“虚短路”。同时又有ia=ib，此情形成为理想运放的“虚开路二二、运放在同相比例放大器中的应用1 .理论推导利用运算放大器可以组成同相比例放大器，其电路如图2oR230 kQ图2同相放大比例器在该电路中，Ui即为输入电压，节点3与地之间的电势差即为输出电压Uo。根据理想运放的特性可知，节点1和节点2电势相等，都为Ui,所以对节点1列节点 电流方程，有：所以，为是Uo为Ui的3倍，R2应该是Ri的2倍。结合Ri/R2=R3=10KO这一条件可以得 到R）15 kQ , R?=15 kQ2 .仿真结果在EWB5.0中对输入电压Ui进行参数扫描（线性扫描），初值为-10V,终值

4、为10V,扫 描间隔为0.01 V,扫描结果如下图所示。横坐标为输入电压Ui,纵坐标为输出电压Uo。15 n10 -5 -5 -10 -810-44S 0.O UVoltage (V)|xX1-4.7200yi-14.1164x24.7600y214.1174dx9.4800dy28.23381/dx105.4852rt1/dy35.4185Hlmin x-10.0000max x10.0000产in y-14.1179max y14.1179Ui Volt淞3同相放大比例器参数扫描结果3 ,分析与结论分析图3中的游标位置可知，当输入电压到达4.7200V时，运算放大器开始进入非线 性工作区，

5、此运放的线性工作区为4724.72V,此运放电路进入饱和区的最小输入电压值 是 4.7200V。由图像得到线性工作区的电压值的斜率即为运算放大器的放大倍数包=28.2338-9.4800 = 2.9782 x 3dx可见该同相放大比例器较好的实现了所要求的放大倍数。三、运放在加法（减法）电路中的应用1 .理论推导利用运算放大器可以组成加法（减法）混合电路，其电路如图4。图4加法(减法)混合电路在该电路中，根据理想运放的特性可知，节点1的电势与地的电势相等，都为0。 列出节点1的节点电流方程如下：1 Ul U2 U3Uo -1RfRiRiR3经过整理后得到如下表达式：Uo = Ux- Ui +

6、U3Ri R2 R3当 Ri=(l/2)Rf, R2=(l/3)Rf, R3=(l/5)Rf 时,Uo 关于 Ui、U2 U3表达式如下:U0 = 2U3S+503此时，该电路实现了对Ul、U2、U3进行的加减混和运算。2 .仿真结果以下结果均在 Rf=30KQ, R=15KQ, R2=10KQ, R3=6 KQ 时由 EWB5.0 仿真 软件给出。对Ui、U2、U3分别进行参数扫描(只改变被扫描的参数，其他电压为0V),扫描 的初值为-10,终值为10V,扫描间隔为0.01V,其结果如下图。20100-20460810-8-6-4X1-10.0000yi-19.9993x210.0000y2

7、19.9993dx20.0000dy39.99871/dx50.00001/dy25.0008min x-10.0000max x10.0000min y-19.9993max y19.9993mrrUI VoltagefV)图5对U1的扫描结果20100o n-20-8-6-40410U2 Voltage tV)图6对U2的扫描结果10-10-20Voltage(V)|XX1-3.9900yi-19.9498x23.9900y219.9498dx7.9800dy39.8996l/dx125.31331/dy25.0629rcpin x-10.0000max x10.0000min y-19.

8、9993max y19.9993810U3 VoltageGO7对U3的扫描结果3 .分析与结论根据图5图7中的曲线可以得到，三条曲线的斜线部分斜率分别如下:匕=&=39.9987 + 20.0000 = 1.9999 x 2 dx卜2 =39.9791 + 13.3300 = -2.9992 x 3dxz依= = 39.8996 7.9800 = 4.9999 5dX3所以，根据叠加定理，可知U。关于Ui、U2、U3表达式是U = 2Ul 3S+55这说明图4中的加法（减法）混合电路实现了对Ui、U2、5的加法与减法混合运算, 达到了预期目标。参考资料：电路原理（第二版），江辑光，刘秀成等著，清华大学出版社出版