7。 其他運放應用

其他運算放大器應用

我們已經看到運算放大器可以用作放大器,或者作為以線性方式組合多個輸入的手段。 我們現在研究這種多功能線性IC的幾個重要應用。

7.1負阻抗電路
其他運算放大器應用,電路仿真,電路仿真器,電路設計

圖17負阻抗電路

圖(17)中所示的電路產生負輸入電阻(一般情況下為阻抗)。

該電路可用於消除不需要的正電阻。 許多振盪器應用依賴於負阻運算放大器電路。 輸入電阻, Rin,是輸入電壓與電流的比率。


(43)

分壓器關係用於導出表達式 v - 因為進入運算放大器的電流為零。


(44)

我們現在讓 v+ = v - 並解決 v 無論在 vin產量,


(45)

由於輸入阻抗為 v+ 終端是無限的,當前的 R 等於 iin 並可以找到如下:


(46)

輸入電阻, Rin,然後給出


(47)

公式(47)表明圖(17)的電路產生負電阻。 如果 R 被阻抗取代, Z,電路產生負阻抗。

應用

單擊以下鏈接,使用TINACloud電路模擬器在線分析以下電路。

1-負阻抗電路仿真

7.2相關電流發生器
從屬電流發生器產生的負載電流與施加的電壓成正比, vin,並且與負載電阻無關。 它可以使用負阻抗電路的略微修改來設計。 電路如圖18(a)所示。

圖18 - 相關電流發生器

假設我們讓 RF = R.A。 然後,公式(47)表示運算放大器電路的輸入電阻(包含在虛線框中)是 -R。 然後可以簡化輸入電路,如圖18(b)所示。 我們希望計算 i加載,現在 R加載。 儘管電阻為負,但正常的基爾霍夫定律仍然適用,因為推導中的任何假設都不為正。 輸入電流 iin,然後通過將電阻組合成單個電阻器, Rin.


(48)

然後,我們將電流分壓比應用於當前的分流比 R加載 和-R到 獲得


(49)

因此,添加運算放大器電路的效果是使負載中的電流與輸入電壓成比例。 它不依賴於負載電阻的值, R加載。 因此,電流與負載電阻的變化無關。 運算放大器電路有效地抵消了負載電阻。 由於電流與負載無關,但僅取決於輸入電壓,我們稱之為a 電流發生器 (或電壓 - 電流轉換器)。

該電路的眾多應用中有一個 dc 穩壓電源。 如果我們讓 vin = E. (一個常數),當前通過 R加載 是恆定的獨立的變化 R加載.

應用

單擊以下鏈接,使用TINACloud電路模擬器在線分析以下電路。

2相關電流發生器電路仿真

7.3電流 - 電壓轉換器
其他運算放大器應用,電路仿真,電路仿真器,電路設計

圖19 –電流電壓轉換器

圖(19)的電路產生與輸入電流成正比的輸出電壓(也可以看作是 單位增益反相放大器)。 我們使用理想運算放大器的特性來分析該電路。 我們求解輸入端子上的電壓以找到


(50)

因此,輸出電壓, v = -iinR,與輸入電流成正比, iin.

應用

單擊以下鏈接,使用TINACloud電路模擬器在線分析以下電路。

3-電流 - 電壓轉換器電路仿真

7.4電壓 - 電流轉換器
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圖20 - 電壓到電流轉換器

圖(20)的電路是電壓 - 電流轉換器。 我們分析這個電路如下:


(51)

從Equation(51)我們發現,


(52)

因此,負載電流與負載電阻無關, R加載,並與施加的電壓成正比, vin。 該電路開發了一個壓控電流源。 然而,該電路的實際缺點是負載電阻器的任何一端都不能接地。

作為替代方案,圖(21)中所示的電路提供了電壓 - 電流轉換器,其負載電阻的一端接地。
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圖21 - 電壓 - 電流轉換器

我們通過編寫如下節點方程來分析該電路:


(53)

最後的平等使用了這個事實 v+ = v - 。 這些方程中有五個未知數(v+, vin, v, vi加載)。 我們消除 v+v 獲得,


(54)

負載電流, i加載,與負載無關, R加載,並且只是電壓差的函數,(vin -v).

應用

單擊以下鏈接,使用TINACloud電路模擬器在線分析以下電路。

4-電壓 - 電流轉換器電路仿真

具有廣義阻抗的7.5反相放大器
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圖22 - 使用廣義阻抗代替電阻

等式(17)的關係很容易擴展到包括非電阻元件 Rj 被阻抗取代, ZjRF 被替換為 ZF。 對於單個輸入,如圖22(a)所示,輸出減少到


(55)

由於我們處理頻域,我們使用大寫字母表示電壓和電流,因此代表了 複雜的振幅.

基於公式(55)的一個有用電路是 米勒集成商,如圖22(b)所示。 在此應用中,反饋組件是電容器, C,輸入組件是電阻器, R,所以


(56)

在公式(56)中, s  是拉普拉斯變換算子。 對於正弦信號,  。 當我們將這些阻抗代入等式(55)時,我們得到了


(57)

在復頻域中, 1 /秒 對應於時域中的集成。 這是個 反相積分器 因為表達式包含負號。 因此輸出電壓是


(58)

哪裡 v(0)是初始條件。 的價值 v 被發展為電容器兩端的電壓, C,時間 t = 0。 閉合開關以將電容器充電至電壓 v(0)然後在 t = 0交換機已打開。 我們使用電子開關,我們將在第16章中更全面地討論。 如果初始條件為零,則仍然使用開關將積分器復位為零輸出電壓 t = 0.

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圖23 –反相微分器的示例

如果反饋元件是電阻器,輸入元件是電容器,如圖(23)所示,輸入輸出關係變為


(59)

在時域中,這變成了


(60)
應用

單擊以下鏈接,使用TINACloud電路模擬器在線分析以下電路。

5-反相微分電路仿真示例

該電路作為一個操作 反轉微分器。 注意輸入電容, Za = 1 / sC,不提供路徑 dc。 這不會影響結果,因為常數的導數為零。 為簡單起見,我們使用正弦輸入信號。 重新排列公式(59)並替換此電路的數值,我們得到


(61)

輸入電壓通過該電路反轉(180°移位),然後再縮放和移位(90°由 j- 運營商)的價值 駐地協調員 哪裡 .

模擬結果如圖(24)所示。

圖24 - 反相微分器的仿真結果

輸入波形在0.5伏特處達到峰值。 輸出電壓的淨偏移(延遲)為90度,輸出電壓峰值約為0.314伏。 這與公式(61)的結果非常一致。

我們也可以使用波形來表明該電路執行反相微分器的任務。 我們將確認輸出波形表示輸入信號的斜率乘以常數。 常數是電路的電壓增益。 輸入電壓波形的最大變化率發生在其過零點。 這與輸出波形達到其最大值(或最小值)的時間相對應。 選擇一個代表點,比如在時間0.5 ms,並使用圖形技術,我們計算輸入電壓波形的斜率為


(62)

縮小這種變化率(即, )根據公式(60)的電路電壓增益,我們期望峰值輸出電壓為


(63)

7.6模擬計算機應用

在本節中,我們將介紹互連運算放大器電路(如夏天和積分器)的使用,以形成一個用於求解微分方程的模擬計算機。 許多物理系統由線性微分方程描述,因此可以藉助模擬計算機分析系統。

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圖25 –模擬計算機應用

讓我們解決圖25電路中的電流i(t)。 輸入電壓是驅動功能,初始條件為零。 我們編寫電路的微分方程如下:


(64)

現在求解di / dt,我們得到了

(65)

我們知道對於t> 0,

(66)

從公式(65)我們看到-di / dt是通過對三個項求和而形成的,這三個項在圖26的第一個積分放大器的輸入端找到。

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圖26 –圖25的模擬計算機解決方案

這三個術語如下:

1。 驅動函數-v(t)/ L是通過v(t)通過反相夏季(夏季)以增益1 / L形成的。
2。 通過獲取第一積分放大器(積分器1)的輸出並將其在放大器輸入端加到求和放大器的輸出(夏季)來形成Ri / L.
3。 術語

(67)
是第二個積分器(Integrator 2)的輸出。 由於必須改變符號,我們將其與反轉夏季(夏季)的單位增益相加。
從等式(66)可以看出,第一積分器的輸出是+ i。 通過適當選擇模擬計算機的電阻器和電容器來建立微分方程中的常數。 通過電容器上的開關實現零初始條件,如圖22(b)所示。

7.7非反相米勒積分器
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圖27 - 非反相積分器

我們使用前一節的相關電流發生器的修改來開發非反相積分器。 電路配置如圖27所示。
這類似於圖21的電路,但負載電阻已被電容取代。 我們現在找到當前的Iload。 反相電壓V-由Vo和V-之間的分壓得到,如下所示:

(68)

由於V + = V-,我們求解並找到
IL = Vin / R. 注意

(69)

其中s是拉普拉斯變換算子。 然後是Vout / Vin功能

(70)

因此,在我們的時域

(71)

因此該電路是非反相積分器。

應用

單擊以下鏈接,使用TINACloud電路模擬器在線分析以下電路。

6-非反相積分電路仿真

 

概要

運算放大器是電子系統非常有用的構建模塊。 實際放大器幾乎作為理想放大器工作,具有非常高的增益和幾乎無限的輸入阻抗。 因此,我們可以像處理電路元件一樣對待它。 也就是說,在研究內部操作和電子特性之前,我們能夠將放大器合併到有用的配置中。 通過識別終端特性,我們能夠配置放大器和其他有用的電路。
本章首先分析了理想的運算放大器,並開發了使用相關源的等效電路模型。 我們在本章早期研究的相關來源構成了我們在本文中研究的許多電子設備的等效電路構建模塊。
然後,我們探討了將運算放大器變為反相放大器,非反相放大器和多輸入放大器所需的外部連接。 我們開發了一種方便的設計技術,無需求解大型聯立方程組。
最後,我們看到運算放大器如何用於構建各種更複雜的電路,包括等效於負阻抗(可用於抵消正阻抗影響)的電路,積分器和微分器。