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14用集成运放构成信号运算电路14用集成运放构成信号运算电路
一、复习引入 复习虚短和虚断。
实现多个输入信号按各自不同的比例求和或求差的电路统称为加减运算电路,若所有输入信号均作用于集成运放的同一个输入端,则实现加法运算;若一部输入信号作用于同相输入端,而另一部分输入信号作用于反相输入端或将多个运放组合起来应用则能实现加、减运算。 二、新授 (一)求和运算电路 1)反相求和运算电路
反相求和运算电路的多个输入信号均作用于集成运放的反相输入端,图1是实现三个输入电压反相求和运算的电路。
图中的平衡电阻
R′=R1//R2//R3//Rf
根据电路结构和“虚地”概念,得出
u﹢=u﹣= 0,
反相输入端N点为零电位。
根据节点电流定律,有 if=i1+i2+i3
即有 所以
uo=-(ui1+ui2+ui3)ui1、ui2、ui3 按一定比例反相相加,比例系数取决于反馈电阻与各输入回路电阻之比值,而与集成运算放大器本身参数无关,而稳定性极高。
若取R1=R2=R3=R则 uo=-(ui1+ui2+ui3)s
又满足Rf=R时,则 uo=-(ui1+ui2+ui3)
如果在图1的输出端再接一般反相器,应可以消去负号。实现完全符合常规的算术加法运算。
图1 反相求和运算电路
对于多输入的电路除了用上述节点电流法求解运算关系外,还可以利用叠加定理得到所有信号共同作用时输出电压与输入电压的运算关系。 2)同相求和运算电路
当多个输入信号同时作用于集成运放的同相输入端时,应构成同相求和运算电路,如图2所示。
图2 同相求和运算电路
由于uo=(1+Rf/R′) U﹢,只要能求出u+与ui1、ui2、ui3之间的关系,便
能得到uo与ui1、ui2、ui3之间关系。
根据 “虚断”概念,于是有:
i1+i2+i3=0
即有
移项整理可得=()
=(R1//R2//R3)()
考虑至平衡条件应满足
R1//R2//R3=R′//Rf
(1+)(R′//Rf) ()
Rf()
从而实现了ui1、ui2、ui3按一定比例同相相加,比例系数也是取决于反馈电阻与各输入回路电阻之比值。但在同相加法运算电路中若调节某一输入回路以改变该路的比例系数时,还必须改变R′以满足平衡要求,所以不如反相求和运算电路调节方便。 (二)加减运算电路 由比例运算电路、求和运算电路的分析可知,输出电压与反相输入端信号极性相反,与同相输入端输入电压极性相同,因而如果多个信号同时作用于两个输入端时那么必然可以实现加减运算。
图3所示为四个输入的加减运算电路。
图中 R1//R2//Rf=R3//R4//R′
以满足平衡条件要求。
利用叠加定理很容易求得uo与ui1、ui2、ui3各ui4之间的关系。
当ui3、ui4短路时
当ui1、ui2短路时
图3 四个输入的加减运算电路
u02=Rf(+)
当Ui1、Ui2、Ui3、Ui4共同作用时
u0=u01+u02=(+--)Rf
若又满足Rf =R1=R2=R3=R4时则
u0= ui3+ui4-ui1-ui2
从而实现了加、减法运算。
如果电路春有两个输入,且参数对称,如图3所示, 则
u0=(ui2-ui1)
图3 只有两个输入的加、减运算电路
电路实现了对输入差模信号的比例运算,此种形式的电路广泛用于测量电路和自动控制系统中,用它来对两输入信号的差值进行放大而不反映输入信号本身的大小。
在使用单个集成运放构成加减运算电路时存在两个缺点,一是电阻的选取和调整不方便,二是对于每个信号源,输入电阻均较小。因此,必要时可采用两级电路。例如例1、例2。
例1设计一个运算电路,要求输出电压和输入电压的运算关系式为u0=10 ui1-5 ui2-4 ui3
解:根据已知的运算关系式,当采用单个集成运放构成电路时,ui1应作用于同相输入端,而ui2和ui3应作用于反相输入端,电路如图4所示。
现选取Rf=100kΩ,若R2//R3//Rf=R1//R4
则uo=Rf(+-)
因为Rf/R1=10,故R1=10kΩ;
Rf/R2=5,则R2=20 kΩ
同理R3=25 kΩ
而++=+ =0 KΩ-1 则R4∞。
故可省去R4。所设计电路如图5所示。
如果采用两级电路来实现也可以有多种方法如图6。电路中电阻参数由读者自己决定,如对输入电阻有要求也可采用同相输入方式。若采用反相输入方式则电阻参数容易确定。
图4 例1的电路
图5 例1的实际电路
图6 用两级运算实现例1的电路
例2图7所示电路中的集成运放A1、A2都具有理想特性,试求输出电压的表达式。当满足平衡条
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