1.反相比例运算电路
(1)基本电路。
反相比例运算电路如图5.3.1所示,由于反馈网络与输入端为电流相加减方式,当输出为零时,反馈电阻Rf上的电流为零,从瞬时极性法判断,当反相输入端输入为正极性时,输出为负极性,通过Rf反馈到输入端为负极性,从以上分析可知,这是一个典型的电压并联负反馈电路。同相输入端通过电路补偿电阻R′接地,通常为了保证集成运放输入级差分放大电路的对称性R′=R //Rf。
图5.3.1 反相比例运算电路
根据“虚断”的概念可得
故可认为R′上无电压降,相当于P点开路,uP与地等电位,得
又根据“虚短”的概念,同相输入端与反相入端电位相同,可知
节点N的电流方程为
将式(5.3.1)代入上式可得
从式(5.3.2)可知,输入电压uI与输出电压uO,比例关系系数为-Rf/R。
从电路可以看出,这是一个反相比例运算电路,由于电路引入了深度电压负反馈,所以该电路的输出电阻Ro=0,由于引入的是并联反馈,所以输入电阻等于输入端和地之间的等效电阻,即Ri=R。在精确计算时应考虑输入电阻减小对运算电路的影响。
(2)T型网络反相比例运算电路。
在实际应用中,为了得到较大的电压放大倍数,而又不想Rf太大,一般采用T型网络取代图5.3.1所示电路中的Rf。如图5.3.2所示电路中,Rf由电阻R2、R3、和R4构成,形似英文字母,故称为T形网络电路。
图5.3.2 T型网络反相比例运算电路
根据“虚断”的概念可得
故可认为R5上无电压降,相当于P点开路,uP与地等电位,得
又根据“虚短”的概念,同相输入端与反相输入端电位相同,可知
节点N的电流方程为
因而节点M的电位
R3和R4的电流分别为
输出电压
将各电流表达式代入,整理可得
2.同相比例运算电路
(1)基本电路。
如图5.3.3所示的电路为同相比例运算电路,由于反馈网络与输入端为电压相加减方式,当输出为零时,反馈电阻Rf上的电流为零,从瞬时极性法判断,当同相输入端输入为正极性时,输出为正极性,通过Rf反馈到输入端为正极性。从以上分析可知,这是电压串联负反馈电路,输入电阻等于集成运放输入电阻(无穷大),输出电阻为零。
图5.3.3 同相比例运算电路
根据“虚断”的概念得
所以R′上无压降,故(www.xing528.com)
根据“虚短”的概念得
说明集成运放的净输入电压为零,但有共模输入电压。
因而iR=if,即
将式(5.3.4)代入得
从上式可知uO与uI同相且放大倍数大于1。由于存在共模输入信号,所以在误差分析时,应重点考虑共模信号对同相比例放大电路的影响。
(2)电压跟随器。
在同相比例运算电路中,若将输出电压的全部反馈到反相输入端,就构成了图5.3.4所示的电压跟随器。电路5.3.4引入了电压串联负反馈,且反馈系数为1。由于uO=uN=uP,故输出电压与输入电压的关系为
图5.3.4 电压跟随器
理想运放的开环差模增益为无穷大,因而电压跟随器具有比射极输出器好很多的跟随特性。
综上所述,对于单一信号作用的运算电路,在分析运算关系时,应首先列出关键节点的电流方程,所谓关键节点是指那些与输入电压和输出电压产生关系的节点,如N点和P点;然后根据“虚短”和“虚断”的原则,进行整理,即可得到输出电压和输入电压的运算关系。
例5.3.1 电路如图5.3.5所示,已知R2>> R4,R1=R2试问:
(1)uO与uI的比例系数为多少?
(2)若R4开路,则uO与uI的比例系数为多少?
图5.3.5 例5.3.1的电路图
解:比较图5.3.5和图5.3.2所示的电路不难发现,它们是完全相同的运算电路,即T形网络反相比例运算电路。
(1)由于uN=uP=0,因而
M点的电位
由于R2>>R4,可以认为
在上式中,由于R1=R2,故uO与uI的关系式为
所以,比例系数约为-(1+R3/R4)。
(2)若R4开路,则电路变为典型的反相比例运算电路,uO与uI的运算关系式为:
由于R1=R2,故比例系数为-(1+R3/R1)。
例5.3.2 电路如图5.3.6所示,已知集成运放输出的最大幅值为±14 V;uO=-55uI,其余参数如图中所标注。回答下列问题:
(1)求出R5的值;
(2)若uI与地接反,则输出电压与输入电压的关系将产生什么变化?
图5.3.6 例5.3.2的电路图
解:在图5.3.6所示电路中,A1构成同相比例运算电路,A2构成反相比例运算电路。
得出R5=500 kΩ。
(2)若uI与地接反,则第一级变为反相比例运算电路。因此,
由于第二级电路的比例系数仍为-5,所以uO=50uI。
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