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【精品】T型电阻网络反相输入比例器举例
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摘要: 1、反相比例运算电路 在反相比例运算电路中，电路输入信号ui总是经过一个电阻R1接到反相输入端，输出信号uo经过一个电阻RF反馈到反相输入端，如图1（a）所示。由图可见，图中电路是一个用国产芯片F741接成的反相比例运算电路，图中同 ...
1、反相比例运算电路
在反相比例运算电路中，电路输入信号ui总是经过一个电阻R1接到反相输入端，输出信号uo经过一个电阻RF反馈到反相输入端，如图1（a）所示。由图可见，图中电路是一个用国产芯片F741接成的反相比例运算电路，图中同时给出了连接及调零电路，并在同相输入端对地串了一个电阻R2=R1//RF，目的是使两个输入端对地的等效电阻相同。需要强调的是，今后除特殊情况外，电源及调零等电路均为默认，不再画出，从而图1（a）所示电路简化为图1（b）所示。
(a)用F741接成的反相比例运算电路
(b)反相比例运算电路的简化图
图1 反相比例运算电路
对于图1（b），由于理想运放的经输入电流为零，所以ip=in=0，由于运放的同相和反相输入端“虚短路 ”，反相输入端（标注“N”处）电位近似为0，所以up=un=0。
节点N的电流方程为i1=iF
所以，可得电压放大倍数为
上式表明，反相比例放大电路的电压放大倍数仅取决与反馈电阻RF与输入电阻R1之比。式中负号“—”表示输出电压的相位与输入电压相位相反，即“反相”。
反相放大器的输入电阻Ri=R1。
2、同相比例放大电路
同相比例放大电路如图2所示，输入信号ui加在同相输入端，输出信号uo经过一个电阻RF反馈到反相输入端，形成负反馈。
图2 同相比例运算电路
由于理想集成运放的净输入电流为零，所以ip=in=0，所以up=ui，且i1=iF，即
由于同相和反相输入端虚短路，反相输入端（标注N处）的电位与同相输入端相同，即
将式 (6)代入式(5)得
上式表明，输出电压与输入电压成比例运算关系而且相同。电阻R2是平衡电阻，R2=R1//RF。同相比例运算电路的输入电阻为无穷大。
由式(7)，如果使R1=∞且RF=0，电路就变成了图3或图4所示，这时的电压放大倍数Auf=1，即uo=ui，电路的输出电压和输入电压相同，这样的电路称为电压跟随器。
图3 电压跟随器
图4 电压跟随器简化电路
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73运算放大器 电路的输出电阻
运算放大器电路的输出电阻；运算放大器是一个放大直流微弱电压的电子线路而且是；第1章1.61.8节说明过的反相放大器；3.4.1拉长会使电阻值增加胶皮圈儿拉长会变细；3.5.1地线的处理方法到目前为止所说的电路中地；3.2和图3.5等电路连在一起；3.8.3不管怎么敲打就是动得不敏捷如图阀门即使；
运算放大器 电路的输出电阻运算放大器是一个放大直流微弱电压的电子线路而且是唯一能稳定地进行直流放大的电路。 本章为了能让读者具体地领会运算放大器的基本用法用一些与传感器相结合并具有代表性的电路进行说明。另外还从如何利用运算放大器输出的角度举例说明了继电器驱动方法。 对于交流放大通过一个电路例子对频率特性的影响因子SR进行了说明。 3.1反相放大电路高温测量 3.1.1将温度变化转换成电信号 如图3.1所示将异种金属线相接让连接产生温度差就会有电压产生。这种现象叫塞贝克效应。例如使用铜线和铁线就可以产生电压。使用塞贝克效应的温度传感器称为热电偶。热电偶由于能测量高达1500○C的高温被广泛地用于工业传感器。铜和康铜镍铜合金热电偶的特性如图3.1所示100○C的温度差可产生4mV左右的电压。 所以这种微小电压如果通过运算放大器放大后所得到的信号就可以更方便地使用。 3.1.2放大倍数为100倍的反相放大器 图3.2是在第1章1.61.8节说明过的反相放大器。将负反馈电阻的值代入下式可求得放大倍数。 放大倍数ARf/Ra100/1100倍 如图3.2所示的热电偶温度传感器每1○C的温度差产生0.04mV左右的电压。所以由温度变化带来的这样微小的电压变化用一般的电压表是测量不出来的。现在市场上销售的测试器中电压标度为50mV的很多。如果放大倍数为100200倍的话用这样的测试器测量就足够了。 运算放大器的放大倍数由负反馈电阻之间的比值关系决定。假设Ra1kΩRf1000kΩ则放大倍数为1000倍。但是放大倍数设得过高会使电路工作不稳定所以为了安全起见初学者最好将它设在200倍左右。 另外要想得到准确的放大倍数Ra和Rf必须使用精度高的电阻。 3.1.3反相放大器的输入电阻 反相放大器的放大倍数由负反馈电阻的Ra和Rf的比值决定。如果电阻Ra的值取得很小Rf的值取得很大则放大倍数当然就会很大。但是如果Rf太大电路会工作得很不稳定最好取1000kΩ以内。对于Ra也有下面所说的限制。 反相放大器的输入电阻也叫阻抗就是如图3.3a所示的负反馈电阻Ra的值。传感器一定含有内部电阻Rs。 传感器的电压Vs经过电阻Rs和Ra分压后形成反相放大器输入电压Vin。图3.3b中的曲线描绘了输入电压Vin是怎样随着电阻Rs和Ra的比值的增大而变小的。由此可知当RsRa时传感器部分的无用分压变大所以要求电阻Ra要比传感器的内部电阻Rs大。由于热电偶的内部电阻Rs非常小反相放大器一般使用110kΩ的输入电阻即可。 3.1.4 温漂怕热 运算放大器可以事先通过失调调整使得当输入电压Vin为零时输出电压也为零。但是如果工作时环境温度的变化很大Vin即使为零也会有输出电压。这种现象叫温度漂移简称温漂。 引起温漂的原因是运算放大器的内部平衡因温度变化而被破坏和外接的电阻值随温度变化而变化。即使一点点不平衡由于运算放大器自身的放大作用会使它放大进而影响输出电压信号。放大倍数越高这个影响就越大。 所以为了使外部漂移被控制在很小的范围内接在运算放大器周围的电阻即运放的反相输入端和同相输入端对地直流电阻需要获得平衡。为此图3.2中加接了对付漂移的电阻Rd。电阻Rd的值按如下公式进行计算: RdRa×Rf/RaRfkΩ 放大倍数很小时Rd可以省略。 对于运算放大器的内部漂移提出好的对策很困难。所以在需要做精密放大器时应该采用低漂移型的集成运算放大器。 3.2同相放大电路光度测量 3.2.1将亮度变化转换成电信号 图3.5是用硅电池光电池作光传感器进行光度测量的运算放大器电路。与上一节的反相放大器的区别是运算放大器信号的输入由端子2改成端子3。它的工作原理就是在第1章第1.5节里已说明的同向工作原理。 3.2.2放大倍数为10倍的同相放大器 图3.6表示了一个装有杠杆的油压装置的同向工作原理。如果让阀门的油缸移动χ5cm则高压油会源源不断地流入操纵油缸输出活塞开始朝着跟把柄A相同的方向移动。这一移动会连动杠杆使阀门的活塞同样移动zχ5cm当油的流动停止时输出活塞也会停止。由于各活塞的移动分别与杠杆的长度成正比由图不难得知z:y5:25求解此式得y25cm。 同相放大器的工作原理与油压装置的工作原理相同。例如在图3.7中如果在端子3加0.6V则输出电压会不断增加直到端子2达到0.6V为止。端子2的VB是输出电压VC经过负反馈电阻Ra和Rf分压后得到的电压。由分压电阻的比例关系可得VC6V。所以将负反馈电阻的值代入下式可求得同相放大器的放大倍数。 放大倍数ARaRf/Ra19/110倍 3.2.3同相放大器的输入电阻和特征 与反相放大器不同同相放大器的输入电阻与负反馈电阻Ra的值无关其值非常大可以大到100MΩ。所以即使传感器的内部电阻Rs非常大也不会出现像图3.3b所示的那种影响。输入电阻非常大这也是同相放大器的一个特征。 为此像硅电池那样使用内部电阻Rs很大的传感器最好采用同相放大器。 下面给出了同相放大器几个不同放大倍数的负反馈电阻Ra和Rf可取的值。 3.2.4运算放大器的最大输出电压 在放大倍数A200倍的同相放大器中加入VA0.2V的输入电压时输出电压VC会达到40V吗回答是绝对不会。运算放大器的输出电压最大可达到电源电压的70左右。所以如图3.8所示的电源电压为15V时输出电压最大可达大约11V。反过来可算出A200倍时输入电压VA必须在0.055V以内。 3.2.5运算放大器的负载电阻 摩托车和汽车在爬陡坡时会给引擎增加很大的负担。这叫超负载状态对引擎会产生很不利的影响但长时间空转也不好。引擎应该设计成承担适度负载。同样运算放大器也规定了适度负载。 使用运算放大器时一般将晶体管、集成电路、电阻等作为负载接入输出侧。在测试电路中常用电阻来代替晶体管和集成电路等负载元件。适度的负载电阻值为210kΩ。 这里应注意的是电阻值太小会使输出电流增大从而形成超负载状态但电阻值太大又会形成轻负载状态。 3 .3差动放大就是夫唱妇随 3.3.1 妻子跟随丈夫 到前一节为止所描述的运算放大器的用法都是单独使用端子2反相:妻和端子3同相:夫当中的一个。图3.10描绘了一个在两个端子同时输入信号的差动放大电路。 差动工作原理如图3.11所示。B点妻:端子2的电压VB在不断地朝D点夫:端子3的电压VD靠近过程中输出电压一直在变化。当VB和VD达到一致即VBVD时输出电压VO的变化停止。 VBVD意味着在端子2和端子3之间形成的电路构成了短路但两端子之间的电阻值为无限大。由于有这样一种矛盾所以称端子2和端子3之间的短路为虚短路。 3.2.2电阻型传感器的用法 到前一节为止所描述的传感器都是通过温度或光来产生电压的发电型传感器。图3.12的热敏电阻RTH是随温度上升而电阻值变小的负系数电阻型传感器。在如图3.12a所示的电阻型传感器的电路中电流从电池Es流入传感器将电阻值变换成电压来形成输入信号V1。 假如以0○C为基准进行测量。热敏电阻在温度为0○C时电阻值不为零显然输入信号V1在温度为0○C时也不为零。为了抵消它通过R2和R3制作基准电压V2来进行差动输入。 3.4运算放大器的本来面目是差动放大3.4.1拉长会使电阻值增加 胶皮圈儿拉长会变细。同样电线拉长断面面积会变小。电线的电阻值与长度成正比与断面面积成反比。所以说拉长会使电阻值增加。利用这一现象将长度的变化转化成电阻值变化的传感器是应变计。 图3.13表示了应变计的概要。用粘接剂将应变计贴到机械和建筑材料需要进行伸缩和弯曲测量的地方根据电阻值的变化可检测物体的变形。这也是一种电阻型传感器。和上一节一样采用差动放大电路。 3.4.2通过检测物体的变形来测量重量 用直径为20mm的钢棒拉重达12t的物体钢棒会有0.0017的变形。如果把应变计和钢棒粘在一起根据△l/l0.0017可得电阻的变化量为0.408Ω。由图3.14可计算出输出电压为2.52V。这时如果用Rf和Ra来计算放大倍数A那么这个Ra应该含有R2和R3的并联值。 3.4.3抵消因温度变化带来的测量误差 在图3.14中一根吊着推土机的钢棒即使不增加载重随着温度的上升也会变长。这种因温度变化引起的伸缩会影响应变计电阻值的变化给测量值带来温度误差。于是如图3.15所示的那样在制作基准电压V2的地方也使用贴有应变计的材质相同的钢棒这样可以校正温度误差。 这种校正温度误差的方法在光传感器以及其他的传感器中也经常使用。 如果把钢棒做得很细也能测量很小的载重。 3.5地线与高增益电路3.5.1地线的处理方法 到目前为止所说的电路中地线都是用粗的裸线来描述的。地线不仅是与众多的元件相接的共用线而且也是从输入端到输出端直通的主干道。在实际的产品中地线在印刷线路板上占有很大的地盘。在装配电路时如果地线连接得很乱高增益电路会工作得很不稳定。所以应按照如图3.16a所示的方法把每个集成电路上的所有地线集中在一起然后连接到一个点上。集中连接于一点的方法很重要。 一般的电路图用如图3.16b所示的地线符号来表示与地线的连接。但是在实际电路组装时应以每个集成电路为单位进行集中。事实上这已是一种常识。 3.5.2增益可变的电路 图3.16b将负反馈电阻Rf设计成了可变电阻由此构成一个同相型的增益可变的电路。怎样选择Rf才能满足所需增益的要求呢看一下第3.1、3.2节就能知道解决这个问题的答案。 3.5.3增益很高的电路 单纯考虑一下觉得要得到高增益电路只要将图3.17a所示将负反馈电阻Rf和Ra的比值取得很大即可。但是如果Rf取得太大会使流入Rf的电流变得很小从而使电路工作不稳定。如果Ra取得太小则会使输入电阻减小。于是高增益电路需采用既不能使Ra太小又不能使Rf太大的方法实际电路如图3.17b所示采用的就是这种方法。 在这个电路中要准确地求出放大倍数需使用含有Ra和Rb的Rc去计算放大倍数。但实际上电阻器有相当大的误差实际的放大倍数是不能通过计算来获得的。 如图3.17b所示的那样在高增益的电路中连接一个用于祛除地线上的有害噪声电流的电容器C是很重要的。 3.6施密特触发器 3.6.1同相放大电路与施密特电路的区别 反相、同相电路采用的是负反馈方式如图3.18a所示输入电压与输出电压成正比例关系。与此相对照施密特电路采用的是正反馈方式如图3.18b所示在输入电压的某一点输出电压突然发生跳变。 图3.19描述了将平缓变化的交流电压输入到施密特电路后得到急剧变化的输出电压情况。对于很小的输入变化需要输出明显的白或黑时采用这种电路很有用。 图3.20为油压活塞的施密特工作原理。通过杠杆向阀门的油缸施加正反馈会形成和运算放大器一样的运动。 3.6.2线性电路和非线性电路 在到现在为止所说明的反相和同相电路中输出电压与输入电压都构成比例关系按直线形式进行变化。这种关系如果用图去描绘会形成图3.18a和图3.23a所示的形状。这样的放大电路称为线性电路。 与此相对应施密特电路输出电压与输入电压不构成直线比例关系这种电路可称非线性电路。 3.7灯到黄昏自动亮 3.7.1灯到黄昏自动亮 用图3.21的电路可以检测傍晚时分的弱光然后把灯点亮。随着光线的变暗反相放大器的输出会按照图3.23a所示的特性曲线逐渐朝正极变化。因此继电器的电磁力也会慢慢地增加当达到某一点时接点的引力会变得不稳定进而迅速演变成越位。 施密特电路的特性曲线如图3.23b所示当输入电压达到某一点时输出电压会突然发生跳变。因此在图3.21所示的虚线框中放上施密特电路可以使继电器的工作稳定可靠。 但是如果使用像cds这样高感度的传感器即使不使用施密特电路只需去掉负反馈电路输出电压也会发生急剧跳变。 3.7.2继电器驱动电路 图3.22表示了继电器驱动方法。运算放大器输出电流太小不能直接驱动继电器。于是通过功率晶体管将电流放大到100倍。与继电器线圈平行连接的二极管的作用可防止继电器工作时线圈产生的异常电压。 切开图3.22的部分可以把这个电路与图3.2和图3.5等电路连在一起。 3.8用运算放大器制作的交流放大电路 3.8.1连微动都没有的静止状态 如图3.24所示可以把流入电子器件中的电流信号分成直流信号和交流信号。进一步交流又可分成模拟信号和数字信号。 运算放大器本来就是用作直流放大的。所以如果放大像热电偶之类的微弱直流信号它的能力是很强的。如果用晶体管制作高增益的直流放大器就会被漂移和偏置所困扰很难保持零点静止状态。能解决这一困难的集成电路就是运算放大器。 3.8.2用运算放大器制作的交流放大电路 运算放大器最能发挥实力的领域是直流信号放大但在低频范围内也可用作交流信号放大图3.25的交流放大电路就是一例。前面所描述的反相电路图3.2和同相电路图3.5可以不作修改地用作交流放大。 运算放大器在进行交流信号放大时随着频率的升高放大倍数会下降。比较容易使用的频率范围大约在100kHZ以下。在处理数字时也一样高频范围不能使用。3.8.3 不管怎么敲打就是动得不敏捷 如图 阀门即使迅速移动油的流动也在阀门移动之后才开始输出活塞要移动一段冲程多少需要一点时间。因此输出活塞的动作对于阀门的动作来说有点迟缓。也就是说不管怎么敲打也不能敏捷地动起来。 3.26所示如果猛地锤打让油压装置的阀门啪嚓一声瞬间内产生移动输出活塞会怎样移动呢 3.8.4 运算放大器的过渡特性和转换速率 运算放大器跟油压装置一样。如图 3.27所示通过开关输入阶跃电压输出电压跟不上出现延迟。这是因为流入集成电路中的电子的流动同油一样会出现一点延迟。像这种由急剧的输入变化引起的输出变化称为过渡特性。 图 要从数量上对这一特性进行描述可用 3.28给出了几个运算放大器过渡特性的例子。根据种类的不同分别用①、②、③表示了各自的过渡特性。1μs时间单位的电压变化来表示这种特性参数被称为转换速率SR。 曲线① SR9/61.5 曲线② SR3 曲线③ SRSR1表示输出电压的瞬间变化能力。SR越大敏捷性就越强交流特性也就越好。SR值即使不变如果输出电压很小延迟也会很小。所以在小输出电压范围内使用可以提高交流特性对交流特性的影响参照第2章。包含各类专业文献、应用写作文书、外语学习资料、中学教育、专业论文、73运算放大器 电路的输出电阻等内容。
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