因为此集成运放电路的对称性,据公式有
Uo=-Rf/R1*V1=-10V1=-10V
与实验结果U2=-9.987V符合良好。
电路图如图1.2-1所示。
图1.2-1
据公式有Uo=(1+Rf/R1)*V1=11V1=11V
在误差范围内,上式成立。理论结果与实验结果U2=11.012V符合良好。
差分比例运算电路如图1.3-1所示。
图1.3-1
据公式有Uo=(1+Rf/R1)*V1–Rf/R1*V2=11V–20V=-9V
在误差范围内,上式成立。理论结果与实验结果U2=-8.987V符合良好。
加减运算电路如图1.3-2所示。
图1.3-2
同理,对于图1.3-2所示的加减法运算电路,电路的平衡条件是R1//R2//Rf=R3//R4。此时输入输出表达式根据叠加原理,可以看成是由反相端加入的两路输入V1和V2所产生的输出量Uo12,与同相端加入的两路输入V3和V4所产生的输出量Uo34共同作用的结果。于是有:
Uo=-Rf/R1*V1–Rf/R2*V2+Rf/R3*V3+Rf/R4*V4=1V
由此可得由每一路输入信号独立作用时产生的响应,在数值上等于反馈电阻与该路信号的“入端电阻”之比乘以该路信号;若输入信号从运放的反相端加入则极性为负,从同相端加入则极性为正。其实,差分运算电路其实可以算是加减运算电路的特殊情况。
电路如图1.4-1所示。
图1.4-1
输入与输出波形如图1.4-2所示。
图1.4-2
得正半个周期内电压变化幅度ΔUo=-2V(反向增长),与所测结果-1.868V接近。
电路如图1.5-1。
图1.5-1
图1.5-2
微分电路的应用是很广泛的,在线性系统中,除了可作微分的运算外,在数字电路中,常用来作波形变换,例如上例,输入电压为方波时,可以调节电路参数使其输出为尖顶波。
以上我们分析了比例,加减,积分,微分等运算电路。在这些电路中的反馈只是简单的R,C元件。一般来说,他们可以是R,L,C的串联或并联组合。我们可以使用拉普拉斯变换,将Z1和Zf写成相应的Z1(s),Zf(s),其中s为复频率变量。这样,输出电压为:
这是反相运算电路的一般表达式。
滤波电路是一种允许一定频率范围内的信号通过,而对不需要传送的频率范围的信号实现有效抑制的电路。按照频率特性可以将有源滤波电路大致分为四类:低通、高通、带通和带阻滤波器,它们的共同特点是在通带其放大倍数均保持恒定不变,而在阻带放大倍数均为零。而实际滤波电路不可能达到理想滤波特性,只能尽量接近理想滤波特性以满足实际需要。常用的有源滤波电路是二阶压控型滤波电路。这里抽出二阶有源低通滤波电路来分析。
电路图如图2.1-1所示。
图2.1-1
其中,双击信号源XFG1图标,设置输入信号Ui频率为20Hz、峰值为1.0V。示波器数据如图2.1-2所示:
图2.1-2
当我们把信号源频率调到200Hz时,有波形数据如图2.1-3所示。
图2.1-3
Bode图数据如图2.1-4所示。
图2.1-4
测得数据如下:
①f1=3.995Hz、UO1=1.999544V,由于Bode图仪默认输入信号Ui=1V,可得通带放大倍数Aup=1.999544。
②f2=199.293Hz、U2=1.418673V,此时输出值下降到通带时的70.9%,可知上限截止频率=200.0Hz;
③f3=401.847Hz、U2=827.649mV,此时输出值下降到通带时的41.4%。
测试结果表明,随着输入信号频率的增加,基本型二阶有源低通滤波电路的输出幅度逐渐衰减,在fH处输出衰减了70.7%,并且阻带衰减速度不够快。
电路图如图2.2-1所示。
图2.2-1
其中,双击信号源XFG1图标,设置输入信号Ui频率为20Hz、峰值为1.0V。示波器数据如图2.2-2所示:
图2.2-2
将信号源频率改为f=200Hz时,得到的输出波形如图2.2-3所示:
图2.2-3
Au(200Hz)≈1.936
可见,在f0附近引入正反馈以后,输出幅度基本维持不变,改善了f0附近滤波特性。
图2.2-4
测试结果表明,输入信号频率小于f0时,输出基本稳定;在频率大于f0以后,随着频率增大输出衰减较快。而阻衰减速度远达不到理想,这是二阶滤波电路的固有特性,必须采用高阶滤波才可能解决问题。