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1、嵌入式硬件基础第三讲 运算放大器基础 理理想想运运算算放放大大器器具具有有“虚虚短短”和和“虚虚断断”的的特特性性，这这两两个个特特性性对对分分析析线线性性运运用用的的运运放放电电路路十十分分有有用用。为为了了保保证证线线性性运用，运放必须在闭环运用，运放必须在闭环( (负反馈）下工作。负反馈）下工作。 理想运算放大器的特性理想运算放大器的特性 (1)(1)虚短虚短 由由于于运运放放的的电电压压放放大大倍倍数数很很大大，一一般般通通用用型型运运算算放放大大器器的的开开环环电电压压放放大大倍倍数数都都在在80 80 dBdB以以上上。而而运运放放的的输输出出电电压压是是有有限限的的，一一般般在在
2、10 10 V14 V。因因此此运运放放的的差差模模输输入入电电压压不不足足1 mV，两两输输入入端端近近似似等等电电位位，相相当当于于 “短短路路”。开开环环电电压压放放大倍数越大，大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。两输入端的电位越接近相等。 “虚虚短短”是是指指在在分分析析运运算算放放大大器器处处于于线线性性状状态态时时，可可把把两两输输入入端端视视为为等等电电位位，这这一一特特性性称称为为虚虚假假短短路路，简简称称虚虚短短。显然不能将两输入端真正短路。显然不能将两输入端真正短路。 (2)(2)虚断虚断 由由于于运运放放的的差差模模输输入入电电阻阻很很大大，一一般般通通用用型型运运算算
3、放放大大器器的的输输入入电电阻阻都都在在1 1 M 以以上上。因因此此流流入入运运放放输输入入端端的的电电流流往往往往不不足足1 A，远远小小于于输输入入端端外外电电路路的的电电流流。故故通通常常可可把把运运放放的的两两输输入入端端视视为为开开路路，且且输输入入电电阻阻越越大大，两两输输入入端端越越接接近近开开路路。 “虚虚断断”是是指指在在分分析析运运放放处处于于线线性性状状态态时时，可可以以把把两两输输入入端端视视为为等等效效开开路路，这这一一特特性性称称为为虚虚假假开开路路，简简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。称虚断。显然不能将两输入端真正断路。下面举几个例子以说明虚短和虚断的运用。
4、下面举几个例子以说明虚短和虚断的运用。（动画动画8-2）例例：有一理想运算放大器组成的电路如图：有一理想运算放大器组成的电路如图08.0308.03所示，所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。试求输出电压的表达式和电压放大倍数。根据虚断根据虚断Ii 0，故，故 V+ 0。且。且Ii If根据虚短，根据虚短， V+ V- - 0Ii = (Vi V- -)/R1 Vi/R1Vo If Rf =Vi Rf /R1电压增益电压增益Avf= Vo /Vi =Rf /R1根据上述关系式，该电根据上述关系式，该电路可用于反相比例运算。路可用于反相比例运算。图图08.0308.03反相比例运算电路反相比
5、例运算电路反相放大反相放大例例：有有一一理理想想运运算算放放大大器器组组成成的的电电路路如如图图08.0408.04所所示示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。试求输出电压的表达式和电压放大倍数。 根据虚断，根据虚断，Vi =V+ 根据虚短，根据虚短，Vi =V+ V- - V+= Vi = Vo R1 /(R1+ Rf) Vo Vi 1+(Rf /R1) 电压增益电压增益 Avf= Vo /Vi =1+(Rf /R1)根据上述关系式，该电路根据上述关系式，该电路可用于同相比例运算可用于同相比例运算。图08.04同相比例运算电路同相放大同相放大请思考：若思考：若R3=90K欧，其他参数不欧，
6、其他参数不变，则输出出VO是多少？是多少？实际使用运放时，注意以下两点实际使用运放时，注意以下两点l供电电源的选择l电阻的匹配l线性放大区域反相输入求和电路反相输入求和电路 在在反反相相比比例例运运算算电电路路的的基基础础上上，增增加加一一个个输输入入支支路路，就就构构成成了了反反相相输输入入求求和和电电路路，见见图图12.01。此此时时两两个个输输入入信信号号电电压压产产生生的的电电流流都都流流向向Rf 。所以输出是两输入信号的比例和。所以输出是两输入信号的比例和。图图12.01 反相求和运算电路反相求和运算电路同相输入求和电路同相输入求和电路 在在同同相相比比例例运运算算电电路路的的基基础
7、础上上，增增加加一一个个输输入入支支路路，就就构构成成了了同同相相输输入入求求和和电电路路，如如图图12.02所示。所示。图图12.02 同相求和运算电路同相求和运算电路 因因运运放放具具有有虚虚断断的的特特性性，对对运运放放同同相相输输入入端端的的电电位位可可用用叠叠加原理求得加原理求得:RRRRRRvRRRRRRRvRRRRRRRRRRvRRRRRvRRv+=+=f12i212221i1211f12i2121i12o) /() /() /() /() /() /() /() /(RvRvRRRRRRRRvRRvRRv+=+=2i21i1fnpfffi22pi11po)()(由此可得出由此可
8、得出/ / fn21pRRRRRRR=式中+-= vv+=RRRvRRRRRvRRv) /() /() /() /(12i2121i12-+=vRRRvof而 , i2i1of21npvvvRRRRR+=时当，思考题思考题l已知输入Vi=1V,要使Vo=0V,如何调理？双端输入求和电路双端输入求和电路 双双端端输输入入也也称称差差动动输输入入，双双端端输输入入求求和和运运算算电电路路如如图图12.0312.03所所示示。其其输输出出电电压压表表达达式式的的推推导方法与同相输入运算电路相似导方法与同相输入运算电路相似。图图12.03双端输入求和运算电路双端输入求和运算电路 用用叠叠加加原原理理：
9、当当vi1=vi2 =0时时，求求出出vi3和和vi4在在输输出出端端产产生生的的电电压压分分量量vop。当当vi3 = vi4 =0时时，求求出出vi1和和vi2 在在输输出出端产生的分量端产生的分量von。先求式中式中Rp=R3/R4/R , Rn=R1/R2/Rf 再求于是于是差分放大电路差分放大电路l电路模型 由于vN=vP，所以当R1=R2=R3=Rf时 当R1=R2, R3=Rf时 仪表测量放大电路 仪表放大器如图所示，仪表测量放大电路 将Vo1-R-Rp-R-Vo2看做回路，则 得到 经过差分输出 将前式带入最后得到 比较器比较器窗口比较器窗口比较器 窗窗口口比比较较器器的的电电
10、路路如如图图14.04所所示示。电电路路由由两两个个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。幅度比较器和一些二极管与电阻构成。设设R1 =R2，则有：，则有： 图图14.04 窗口比较器窗口比较器 窗口比较器的电压传窗口比较器的电压传输特性如下页图输特性如下页图 14.05所示。所示。 当当vIVH时时，vO1为为高高电电平平，D3导导通通；vO2为为低低电电平平, D4截截止止，vO= vO1。 当当vI VL时，时，vO2为高为高电平，电平，D4导通；导通；vO1为低为低电平，电平，D3截止，截止，vO= vO2。 当当VH vI VL时，时，vO1为低电平，为低电平，vO2为低电为低电平，平，
11、D3、D4截止，截止，vO为为低电平。低电平。 图图14.05 窗口比较器的传输特性窗口比较器的传输特性 信号的电位水平高于信号的电位水平高于某规定值某规定值VH的情况，相当的情况，相当比较电路正饱和输出。比较电路正饱和输出。 信号的电位水平低于信号的电位水平低于某规定值某规定值VL的情况，相当的情况，相当比较电路负饱和输出。比较电路负饱和输出。 该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为故称为窗口比较器窗口比较器。l设计一款智能窗帘l要求在夜晚时，自动“关上窗帘”；白天光强很强时，自动“拉开窗帘”电机驱动图如下所示：光控电路设计如下图所示：光控电路设计如下图所示：+完整电路图如下所示：完整电路图如下所示：课后练习课后练习
