运放基本应用电路

运放基本应用电路
运放基本应用电路
运算放大器是具有两个输入端，一个输出端的高增益、高输入阻抗的电压放大器。

若在
它的输出端和输入端之间加上反馈网络就可以组成具有各种功能的电路。

当反馈网络为线性
电路时可实现乘、除等模拟运算等功能。

运算放大器可进行直流放大，也可进行交流放大。

R f
使用运算放大器时，调零和相位补偿是必
须注意的两个问题，此外应注意同相端和反相端到地的直流电阻等，以减少输入端直流偏流 U I 引起的误差。

U O 1．反相比例放大器 电路如图1所示。

当开环增益为 ∞（大于104以上）时，反相放大器的闭环增益为： 1
R R U U A f I O uf -== （1） 图1 反相比例放大器 由上式可知，选用不同的电阻比值R f / R 1，A uf 可以大于1，也可以小于1。

若R 1 = R f ， 则放大器的输出电压等于输入电压的负值，因此也称为反相器。

放大器的输入电阻为：R i ≈R 1
直流平衡电阻为：R P = R f // R 1 。

其中，反馈电阻R f 不能取得太大，否则会 产生较大的噪声及漂移，其值一般取几十千欧 到几百千欧之间。

R 1的值应远大于信号源的 O 内阻。

2．同相比例放大器、同相跟随器 同相放大器具有输入电阻很高，输出电阻
很低的特点，广泛用于前置放大器。

电路原理
图如图2所示。

当开环增益为 ∞（大于104以上 图2 同相比例放大器 ）时，同相放大器的闭环增益为：
1
111R R R R R U U A f f I O uf +=+== （2） 由上式可知，R 1为有限值，A uf 恒大于1。

同相放大器的输入电阻为：R i = r ic
其中： r ic 是运放同相端对地的共模输入电阻，一般为108Ω；放大器同相端的直流平衡
电阻为：R P = R f // R 1。

若R 1 ∞（开路），或R f = 0，则A u f 为1，于是同相放大器变为同相跟随器。

此时由于
放大器几乎不从信号源吸取电流，因此 U
可视作电压源，是比较理想的阻抗变换器。

3．加（减）法器
电路如图3所示。

当运算放大器开环增益为 U I2 R 2 2 7 足够大时，由于点 ∑为“虚地”，两个输入电 µA741
6 U O 压可以彼此独立地通过自身输入回路的电阻转 3 4
换为电流，能精确地实现代数相加运算。

其输 R P -15V
出电压U O 为：
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+-=2211I f I f O U R R U R R U （3） 图3 加法器
图中：同相端的输入电阻R P = R f // R 1 // R 2。

上式中，负号表示加法器的输出信号与输入信号的相位相反。

若取R 3 = R 2 = R f2 ，并使其中一个输入信号U I1经过一级反相放大器，则加法器可以变为
U O
图中：R P1 = R f1/2，R 3 = R 2 = R f2，R 1=R f1，R P2= R 3// R 2// R f2
其输出电压为： )(12I I O U U U --= （4） 4．差动放大器（减法器） U 电路如图5所示。

当运算放大器的同相端 U O 和反相端分别输入信号U I1和U I2时，输出电压 U U O 为： 23231111I f I f O U R R R R R U R R U ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛++-=当R 1=R 2，R 3=R f 时，图5电路为差动放 大器，其差模电压增益为： 图5 差动放大器 2
3112R R R R U U U A f I I O ud ==-= 输入电阻为： R id =R 1+R 2=2R 1 输出电压为： )(121I I f
O U U R R U -=
当 R 1= R 2= R 3= R f 时，图5电路为减法器，输出电压为：
12I I O U U U -=
由于差动放大器具有双端输入 — 单端输出，共模抑制比较高的特点，因此，差动放大
器通常作为传感放大器或测量仪器的前置放大器。

五．实验内容
1．反相放大器的安装与测试
在图1电路中，取R 1 = 10k Ω，R f = 100k Ω，先根据R 1和R f 的值，算出该电路的电压放大倍数A uo 和直流平衡电阻R P 。

然后根据R 1、R f 、和R P 的值，安装一个反相比例放大器。

1）从放大器的输入端输入U I =1.5V 的直流信号，用万用表测量U O ，判断U O 与U I 的相位关系，并根据下式计算电压放大倍数A uf 。

I
O uf U U A = 将A uf 与理论值比较，判断是否与理论值相符。

若误差太大，则必须在运放电路中加装 调零电路，在无输入信号的情况下，先将放大器的输入端接地，接着调节调零电位器，使输出信号为零。

然后将接地线去掉，输入直流信号进行测试。

2）从放大器的输入端输入 f = 1kHz ，U im = 0.2V 的交流信号，用示波器测量输入电压的幅值U im 与输出电压的幅值U om 。

判断u i 与u o 的相位关系。

并计算电压放大倍数A uf 。

2． 同相放大器的安装与测试
在图2电路中，取R 1=10k Ω，R f =100k Ω，算出该电路的电压放大倍数A uf 和直流平衡电阻R P 。

然后根据R 1、R f 、和R P 的值，安装一个同相比例放大器。

1） 输入U I =1.5V 的直流信号，用万用表测量U O ，判断U O 与U I 的相位关系，并根据下式计算电压放大倍数A uf 。

I
O uf U U A = 将A uf 与理论值比较，判断是否与理论值相符。

若误差太大，则必须在运放电路中加装 调零电路，调好零后，才输入直流信号进行测试。

2）输入 f = 1kHz ，U im = 0.2V 的交流信号，用示波器测量输入电压的幅值U im 与输出电压的幅值U om 。

判断u i 与u o 的相位关系。

并计算电压放大倍数A uf 。

3．电压跟随器
在图2电路中，断开R 1与地的连接线。

1） 输入U I =1.5V 的直流信号，用万用表测量U O ，判断U O 与U I 的相位关系，并根据下式计算电压放大倍数A uf 。

I
O uf U U A = 将A uf 与理论值比较，判断是否与理论值相符。

若误差太大，则必须在运放电路中加装 调零电路，调好零后，才输入直流信号进行测试。

2） 输入 f = 1kHz ，U im = 0.2V 的交流信号，用示波器测量输入电压的幅值U im 与输出 电压的幅值U om 。

判断u i 与u o 的相位关系。

并计算电压放大倍数A uf 。

4．加法器
在图3电路中，取R 1 =10k Ω，R 2 =20k Ω，R f =100k Ω，算出该电路的直流平衡电阻R P 。

根据R 1、R f 、和R P 的值，安装一个加法器。

1) 输入U I1 = U I2 =1.5V 的直流信号，用万用表测量U O ，判断U O 与U I1、U I2的相位关系，根据下式计算U O 。

⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+-=2211I f I f O U R R U R R U
将计算值与测量值比较，判断是否相同。

若误差太大，则必须在运放电路中加装调零 电路，调好零后，才输入直流信号进行测试。

2）输入 f = 1kHz ，U im1 = U im2 = 0.2V 的交流信号，用示波器测量输入电压的幅值U im 与输出电压的幅值U om 。

判断u i 与u o 的相位关系。

六. 实验报告要求
1． 画出实验电路，整理实验数据。

2． 将实验结果与理论值比较，并分析误差原因。

附录： µA741调零电路的连接如图6所示。

接上电源后， O 将运放的输入端接地，然后调节电位器使输出电压U O 为零。

15V
图6 µA741调零电路连接图 （R W =1k Ω）
三、电压跟随器
如图所示，若将输出电压的全部反馈到反相输入端，就构成电压跟随器。

电路引入了电压串联负反馈，其反馈系数为1。

由于
，故输出电压与输入电压的关系为
理想运放的开环差模增益为无穷大，因而电压跟随器具有比射极输出器好得多的跟随特性。

综上所述，对于单一信号作用的运算电路，在分析运算系关时，应首先列出关键节点的电流方程，所谓关键节点是指那些与输入电压和输出电压产生关系的节点，如N点和P点；然后根据“虚短”和“虚断”的原则，进行整理，即可得输出电压和输入电压的运算关系。

二、同相比例运算电路
将反相比例运算电路中的输
入端和接地端互换，就得到同相比
例运算电路，如图所示。

电路引入
电压串联负反馈，故运放工作在线
性区。

根据“虚短”和“虚断”的概
念，集成运放的净输入电压为零。

即
说明集成运放有共模输入电压。

），因而，即
净输入电流为零（即
表明
与同相且大于。

一、反相比例运算电路
反相比例运算电路如图所示。

输入电压
通过电阻R作用于集成运放的反相输入端，故输
出电压
与
反相；电阻
跨
接在集成运放的输出端和反相输入端，引入了电压并联负反馈；同相输入端通过电阻
接地，为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性，其值为
=0时反相输入端总等效
电阻，即
=R//R f 。

根据理想运放在线性区“虚短路”和“虚断路”的特点有：
=0
集成运放两个输入端的电位均为零，但由于它们并没有接地，故称之为“虚地”。

节点N的电流方程为
由于N点虚地（
=0），整理得出
与
成比例关系，比例系数为
，负号表示
与
反相。

该电路的闭环电路放大倍数为：
/
=
若
，则
1，即
，这时电路为倒相器。