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运算放大器线性应用基本电路

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运算放大器线性应用基本电路

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附录 1. 运算放大器线性应用基本电路 1、反相放大器 输入输出关系: U o   R2 R1 Ui 输入阻抗: ri  R1 参数匹配要求: R3  R1 // R2 R2 R1 AMP - Ui + Uo R3 COM COM COM 附图 1-1 反相放大器 2、同相放大器 输入输出关系: U o  (1  R3 R2 )U i 输入阻抗: ri   参数匹配要求: R1  R3 // R2 R1 AMP + Ui - R3 Uo R2 COM COM COM 附图 1-2 同相放大器 3、电压跟随器 输入输出关系:Uo  Ui R1 AMP + Ui - Uo 输入阻抗: ri   R2 参数匹配要求:10  R1  R2  1kΩ COM 附图 1-3 电压跟随器 COM 4、反相加法器 输入输出关系: U o  ( R3 R1 U1  R3 R2 U2) U1 R1 R3 信号 U1 输入阻抗: ri1  R1 R2 AMP - U2 + Uo 信号 U2 输入阻抗: ri2  R2 R4 参数匹配要求: R4  R3 // R2 // R1 COM COM COM 附图 1-4 反相加法器 5、积分器 实际应用电路一般需要加 R3,避免低频信号增益过大。增加 R3 后,电路成为 一个标准的一阶低通滤波器,只有满足 Uomax R3  Ui R1 或1 C1  R3 时才能体现较 好的积分特性(ω 为信号角频率)。  积分特性输入输出关系: U o   1 R1C1 U i dt R3 滤波器传递函数: A(s)   R3 R1  1  1 sR3C1 C1 R1 AMP 滤波器特征角频率:o  1 / R3C1 输入阻抗: ri  R1 - Ui + R2 Uo 参数匹配要求: R2  R3 // R1 COM COM COM 附图 1-5 积分器 6、微分器 实际应用电路一般需要增加 R1、C2、D1 元件,R1 的作用是限制脉冲电流, D1 是输出限幅以保证运放工作于放大区,两者配合避免运放在大信号输入时形 成信号阻塞,微小容量电容 C2 的作用是相位补偿,提高电路稳定性,忽略 C2 的 情况下,电路是一个标准的高通滤波器,只有U R1max  U imax 或1 C1  R1 时才能 体现较好的微分特性(ω 为信号角频率)。 微分特性输入输出关系: U o   R2C1 dU i dt 滤波器传递函数: A(s)   R2 R1  1 1 1 sR1C1 滤波器特征角频率:o  1 / R1C1 R1 交流输入阻抗: ri  1 / C1 Ui 参数匹配要求: R2  R3 COM D1 C2 R2 C1 AMP - + R3 Uo COM COM 附图 1-6 微分器 7、电流-电压转换电路Ⅰ 输入输出关系:Uo  Is R1 参数匹配要求: R1  R2 R1 AMP - Is + R2 Uo COM COM COM 附图 1-7 电流电压转换电路 8、电流-电压转换电路Ⅱ 输入输出关系: U o  (1  R2 R3  R2 R1 ) R1 I s 参数匹配要求: R4  R1  R3 // R2 R1 AMP - Is + R4 R3 R2 COM Uo COM COM 附图 1-8 电流电压转换电路 9、差分放大器Ⅰ R3 输入输出关系: U o  R3 R1 (U1 U2) U1 R1 AMP - + 输入差模阻抗: ri  2R1 U2 R2 R4 Uo 参数匹配要求: R1  R2 , R3  R4 COM COM COM 附图 1-9 差分放大器 10、差分放大器Ⅱ R1 COM U2 R2 R3 AMP - R4 + U1 R5 R6 AMP - + Uo COM COM COM 附图 1-10 差分放大器 输入输出关系: Uo  (1  R6 R4 )(U1 U2) 输入差模阻抗: ri   参数匹配要求: R3 / R1  R4 / R6 , R2  R1 // R3 , R5  R4 // R6 11、差分放大器Ⅲ(仪表放大器) R8 U1 COM U2 R9 AMP + - R4 R6 R1 AMP R2 + - AMP - + R3 R5 R7 附图 1-11 差分放大器 Uo COM COM 输入输出关系: U o  (1  R1  R3 R2 ) R6 R4 (U1 U2) 输入差模阻抗: ri   参数匹配要求: R6 / R4  R7 / R5 , R1  R3 , R8  R9  R1 // 1 2 R2 注意:该电路有标准的集成器件可以选用,如 AD620/AD624/INA102 等 12、自举式交流电压放大器 R1 C2 COM R2 C1 Ui R3 AMP + C3 Uo COM 附图 1-12 自举式交流电压放大器 COM 输入输出关系:Uo  (1  R3 / R1)Ui 交流输入阻抗: ri   参数匹配要求:  一般取 R2  R1  C1、C2、C3 为隔直电容,假定输出负载电阻为 RL,下限频率为 fL,要求 1 2πf LC3  RL , 1 2πf LC1  R2 , 1 2πf L C 2  (R1、R2、R3 ) min 13、单电源供电交流电压放大器Ⅰ R2 C1 R1 Ui COM +VCC R3 R4 AMP - + C2 Uo R5 COM COM 附图 1-13 单电源交流电压放大器 输入输出关系: U o  (1  R2 R1 )U i 交流输入阻抗: ri  R1 参数匹配要求: ① 交流输入为零时,运放输出直流电压应为其电源电压的一半左右。 ② C1、C2 为隔直电容,假定下限频率为 fL,要求 1 2πf LC1  R1 ,1 2πf LC2  R5 14、单电源供电交流电压放大器Ⅱ C1 R1 R2 COM Ui C3 COM +VCC AMP + R6 C2 R5 Uo R3 R4 COM 附图 1-14 单电源交流电压放大器 输入输出关系: U o  (1  R2 R1 )U i 交流输入阻抗: ri  R6  R3 // R4 参数匹配要求: ① 交流输入为零时,运放输出直流电压应为其电源电压的一半左右。 ② C1、C2、C3 为隔直电容,假定下限频率为 fL,要求 1 2πf LC3  R6 , 1 2πf LC1  R1 , 1 2πf L C2  R5 ③ R6  R3 、 R6  R4 15、基本 PID 调节器 C1 R2 C2 dB A(ω) Ui R1 AMP + R3 kp Uo φ 1/τi 1/τd ω π/2 COM COM ω COM -π/2 附图 1-15 基本 PID 调节器及工作特性  输入输出关系: U o  k p [U i (t )  1 i t Ui (t)dt 0 d dUi (t) ] dt  即: U o  ( R2 R1  C1 C2 )U i  R2C1 dU i dt  1 R1C2 U i dt 直流输入阻抗: ri  R1 交流输入阻抗: ri  R1 //(1 / jC1) 传递函数: A(s)  kp (1  1 is   d s) 其中: kp  ( R2 R1  C1 C2 )  i  R1C1  R2C2 d  R1C1R2C2 R1C1  R2C2 参数匹配要求:一般要求 i   d , R1  R3 16、高频噪声抑制 PID 调节器 dB A(ω) R4 R3 C1 R2 C2 τdkp/τ2 Ui R1 AMP + R5 kp φ 1/τi 1/τd 1/τ2 ω Uo π/2 ω COM COM -π/2 COM 附图 1-16 高频噪声抑制 PID 调节器及工作特性 传递函数: A(s)  kp (1  1 is   d s) /(1   2s) 直流输入阻抗: ri  R1 交流输入阻抗: ri  R1 //(R3  1 / jC1 ) 其中: kp  [ R2 R1  (1  R3 ) C1 R1 C2 ]  i  (R1  R3 )C1  R2C2 d  (R1  R3 )C1R2C2 (R1  R3 )C1  R2C2  2  R3C1 参数匹配要求: U omax R4  U imax R1 , R2  R3 , R5  R1 // R4

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