运算放大器实现有源环形器
运算放大器原理
运算放大器原理时间:2008-12-21 11:29:37 来源:资料室作者:编号: 2091 更新日期20120308 003050运算放大器原理运算放大器(Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP)是一种直流耦合﹐差模(差动模式)输入、通常为单端输出(Differential-in, single-ended output)的高增益(gain)电压放大器,因为刚开始主要用于加法,乘法等运算电路中,因而得名。
一个理想的运算放大器必须具备下列特性:无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。
最基本的运算放大器如图1-1。
一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。
图1-1通常使用运算放大器时,会将其输出端与其反相输入端(inverting input node)连接,形成一负反馈(negative feedback)组态。
原因是运算放大器的电压增益非常大,范围从数百至数万倍不等,使用负反馈方可保证电路的稳定运作。
但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈(positive feedback),相反地,在很多需要产生震荡讯号的系统中,正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。
开环回路图1-2开环回路运算放大器开环回路运算放大器如图1-2。
当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时,其输出与输入电压的关系式如下:V out = ( V+ -V-) * Aog其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益(open-loop differential gai由于运算放大器的开环回路增益非常高,因此就算输入端的差动讯号很小,仍然会让输出讯号「饱和」(saturation),导致非线性的失真出现。
因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中,少数的例外是用运算放大器做比较器(comparator),比较器的输出通常为逻辑准位元的「0」与「1」。
运算放大器原理图
运算放大器原理图运算放大器(Operational Amplifier,简称Op-Amp)是一种重要的电子元件,它在电子电路中起着非常重要的作用。
本文将介绍运算放大器的原理图及其工作原理。
首先,让我们来了解一下运算放大器的基本结构。
运算放大器通常由一个差分输入级、一个级联放大器和一个输出级组成。
差分输入级通常由两个输入端和一个差分放大器组成,级联放大器由多个级联的放大器组成,输出级则是一个输出放大器。
运算放大器的电路图如下所示:(插入运算放大器原理图)。
在实际应用中,运算放大器通常用来放大电压信号、求和、差分运算、积分、微分等。
运算放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、大增益、宽带宽等特点,可以实现很多复杂的电路功能。
运算放大器的工作原理是基于反馈原理的。
在运算放大器的反馈电路中,通过外部连接的电阻、电容等元件,将部分输出信号反馈到输入端,从而实现对输出信号的控制。
通过控制反馈电路的参数,可以实现对运算放大器的增益、频率特性等进行调节。
另外,运算放大器还有一些常见的特性,比如输入偏置电流、输入偏置电压、共模抑制比、噪声等。
这些特性对于运算放大器的实际应用有着重要的影响,需要在设计电路时进行充分考虑。
在实际应用中,运算放大器广泛应用于模拟电路、数字电路、信号处理、自动控制等领域。
比如,运算放大器可以用来设计滤波器、比较器、振荡器、放大器等电路,也可以用来实现信号的调理、放大、滤波、整形等功能。
总的来说,运算放大器是一种非常重要的电子元件,它在电子电路中有着广泛的应用。
通过对运算放大器的原理图及其工作原理的了解,可以更好地应用运算放大器设计各种电路,实现各种功能。
希望本文对读者有所帮助,谢谢阅读!。
运算放大器原理
运算放大器原理,集成运算放大器原理运算放大器原理运算放大器(Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP)是一种直流耦合﹐差模(差动模式)输入、通常为单端输出(Differential-in, single-ended output)的高增益(gain)电压放大器,因为刚开始主要用于加法,乘法等运算电路中,因而得名。
一个理想的运算放大器必须具备下列特性:无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。
最基本的运算放大器如图1-1。
一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。
图1-1通常使用运算放大器时,会将其输出端与其反相输入端(inverting input node)连接,形成一负反馈(negative feedback)组态。
原因是运算放大器的电压增益非常大,范围从数百至数万倍不等,使用负反馈方可保证电路的稳定运作。
但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈(positive feedback),相反地,在很多需要产生震荡讯号的系统中,正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。
开环回路图1-2开环回路运算放大器开环回路运算放大器如图1-2。
当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时,其输出与输入电压的关系式如下:V out = ( V+ -V-) * Aog其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益(open-loop differential gai由于运算放大器的开环回路增益非常高,因此就算输入端的差动讯号很小,仍然会让输出讯号「饱和」(saturation),导致非线性的失真出现。
因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中,少数的例外是用运算放大器做比较器(comparator),比较器的输出通常为逻辑准位元的「0」与「1」。
闭环负反馈将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来,放大器电路就处在负反馈组态的状况,此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。
运算放大器——有源、多动能、集成电路
uo u u ui
2.2 加减运算电路
作用:将若干个输入信号之和或之差按比 例放大。
类型:同相求和和反相求和。 方法:可用虚短、虚断的概念来分析,也可 用叠加定理
17
一、反相加法器
ui1
R11
R2
ui2
R12
_ +
+
uo
RP R11 // R12 // RF
RP
实际应用时可适当增加或减少输入端的个数, 以适应不同的需要。
电压传输特性
电路模型
4
二、理想运算放大器
由于运放的开环放大倍数很大,输入电阻 高,输出电阻小,在分析时常将其理想化, 称其所谓的理想运放。 理想运放的条件 运放工作在线性区的特点
Ao
ri
ro 0
uo Ao ( u u )
I i 0 虚开路
虚短路
u u
放大倍数与负载无关。分析多 个运放级联组合的线性电路时 可以分别对每个运放进行。 5
RF R12 R11 uo (1 )( ui1 ui 2 ) R1 R11 R12 R11 R12
注意:同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响,不能 21 单独调整。
R1
R21 R22 -
RF
ui1 ui2
+ R´
+
uo
左图也是同相求和运算 电路,如何求同相输入 端的电位?
运算放大器
——有源、多动能、集成电路
1
§1 基本知识
运 放 的 电 路 符 号
_
ui
Ao +
+
2
uo
一、运放的开环电压传输特性
运算放大器工作原理
运算放大器工作原理运算放大器(Operational Amplifier,简称Op-Amp)是一种重要的电子器件,它在现代电子电路中有着广泛的应用。
运算放大器的工作原理是基于差分放大器的基础上进行改进和优化,使得它具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等优良特性。
本文将从运算放大器的基本原理、内部结构、工作特性以及应用领域等方面进行详细介绍。
一、基本原理运算放大器是一种差动放大器,它由多个晶体管、电阻、电容等元件组成。
在运算放大器的内部,有两个输入端和一个输出端。
其中一个输入端称为非反相输入端(+),另一个输入端称为反相输入端(-)。
运算放大器的输出端输出的是输入信号的放大值,其放大倍数由运算放大器的增益决定。
运算放大器的工作原理可以用简单的电路模型来描述。
在理想情况下,运算放大器的增益是无穷大的,输入阻抗是无穷大的,输出阻抗是零。
这意味着运算放大器可以放大微小的输入信号,并且不会对输入信号产生影响,同时输出的电压可以根据输入信号的大小进行线性放大。
二、内部结构运算放大器的内部结构非常复杂,一般由多个晶体管、电阻、电容等元件组成。
其中最核心的部分是差分放大器。
差分放大器由两个晶体管和若干电阻组成,它的作用是将输入信号进行放大,并将放大后的信号送入后级放大器进行进一步放大。
在运算放大器的内部,还有许多其他的电路,如反馈电路、偏置电路等,它们都起着至关重要的作用。
三、工作特性运算放大器具有许多优良的工作特性,这些特性使得它在电子电路中有着广泛的应用。
首先,运算放大器具有高增益。
在理想情况下,运算放大器的增益是无穷大,这意味着它可以对微小的输入信号进行高度放大。
其次,运算放大器具有高输入阻抗和低输出阻抗。
这使得它可以接受各种不同的输入信号,并且可以驱动各种不同的负载。
此外,运算放大器还具有良好的线性特性、宽带宽等特点。
四、应用领域由于其优良的工作特性,运算放大器在电子电路中有着广泛的应用。
它可以用于信号放大、滤波、比较、积分、微分等各种电路中。
运算放大器的8种应用电路
运算放大器8种应用电路1.电压跟随器电压跟随器(也称为缓冲器)不会放大或反相输入信号,而是在两个电路之间提供隔离。
输入阻抗很高,而输出阻抗很低,避免了电路内的任何负载效应。
当输出直接连接回输入之一时,缓冲器的总增益为+1且Vout = Vin。
2.放大器反相器反相器,也称为反相缓冲器,与先前的电压跟随器相反。
如果两个电阻相等,则反相器不会放大,但会反相输入信号。
输入阻抗等于R,增益为-1,给出Vout = -Vin。
同相放大器不会对输入信号进行反相或产生反相信号,而是以(RA+ RB)/RB或通常为1+(RA/RB)的比率进行放大。
输入信号连接到同相(+)输入。
4.反相放大器反相放大器同时以-RA/RB的比率对输入信号进行反相和放大。
放大器的增益由使用反馈电阻RA的负反馈控制,输入信号被馈送到反相(-)输入。
上面的反相和同相放大器电路可以连接在一起以形成桥式放大器配置。
输入信号是两个运放共用的,输出电压信号跨接在负载电阻R L两端,该电阻在两个输出之间浮动。
如果两个运放增益A1和A2的大小彼此相等,则输出信号将加倍,因为它实际上是两个单独的放大器增益的组合。
6.电压加法器加法器,也称为求和放大器,产生与输入电压V1和v2之和成比例的反相输出电压。
可以汇总更多输入。
如果输入电阻的值相等(R1=R2=R),则总输出电压为给定值,增益为+1。
如果输入电阻不相等,则输出电压为加权和,并变为:Vout =-(V1(RA / R1)+ V2(RA / R2)+等)7.电压减法器减法器也称为差分放大器,它使用反相和同相输入来产生输出信号,该信号是两个输入电压V1和V2之差,从而允许一个信号与另一个信号相减。
如果需要,可以添加更多的输入以将其减去。
如果电阻相等(R=R3和RA=R4),则输出电压为给定值,电压增益为+1。
如果输入电阻是不相等的电路变得放大器时产生负输出的差分V1高于V2和正输出时V1低于V2。
8.电压比较器比较器有许多用途,但最常见的是将输入电压与参考电压进行比较,如果输入电压高于参考电压,则切换输出。
运算放大器实验原理
运算放大器实验原理运算放大器是一种广泛使用的模拟电子元件,它具有高输入阻抗、高开环增益和宽频带等特性,常用于信号放大、滤波、转换等电路中。
本文将介绍运算放大器的原理、使用方法以及实验操作步骤。
一、运算放大器的基本原理运算放大器是一种具有正负输入端的放大器,其输出量由输入量的大小和相位决定。
输入量通过一个反馈网络,产生一个误差信号,该信号表示输出量与期望值之间的差异。
误差信号经过放大和比较后,驱动输出设备,以达到所需的输出值。
运算放大器的主要特点是它的差模放大器和交流放大器,这两个部分独立且互相不影响,使得它在许多电路中都有广泛应用。
二、运算放大器的使用方法1. 电源电压:运算放大器需要使用稳定的电源电压,通常使用±5V或±15V。
2. 输入阻抗:运算放大器的输入阻抗很高,通常需要使用阻抗匹配的输入设备,如电阻、电容等。
3. 偏置电压:为了使运算放大器工作在稳定状态,需要为其提供适当的偏置电压。
偏置电压的大小取决于具体的电路需求。
4. 输出设备:根据需要选择适当的输出设备,如电阻、电容等,以实现所需的电路功能。
三、实验操作步骤1. 实验准备:准备所需的实验器材和元件,包括运算放大器、电阻、电容、电感等。
检查器材是否完好,确保电源稳定。
2. 搭建实验电路:按照实验需求,搭建运算放大器的电路。
注意选择适当的电源电压和偏置电压,确保电路稳定工作。
3. 测试与调整:使用示波器、万用表等工具,测试电路的性能指标,如输入阻抗、输出阻抗、开环增益等。
根据测试结果进行调整,使电路达到最佳性能。
4. 实验结果分析:观察和分析实验结果,验证运算放大器的原理和使用方法是否正确。
5. 实验总结:整理实验数据和结果,总结实验中的问题和经验教训,为今后的实验提供参考。
具体实验操作步骤如下:步骤一:搭建基本放大电路使用电阻、电容等元件搭建一个基本的放大电路,使用运算放大器作为放大器。
调整元件值以获得适当的增益和带宽。
运算放大器原理和设计
运算放大器工作原理运算放大器(Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP)是一种直流耦合﹐差模(差动模式)输入、通常为单端输出(Differential-in, single-ended output)的高增益(gain)电压放大器,因为刚开始主要用于加法,乘法等运算电路中,因而得名。
一个理想的运算放大器必须具备下列特性:无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。
最基本的运算放大器如图1-1。
一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。
通常使用运算放大器时,会将其输出端与其反相输入端(inverting input node)连接,形成一负反馈(negative feedback)组态。
原因是运算放大器的电压增益非常大,范围从数百至数万倍不等,使用负反馈方可保证电路的稳定运作。
但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈(positive feedback),相反地,在很多需要产生震荡讯号的系统中,正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。
开环回路运算放大器如图1-2。
当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时,其输出与输入电压的关系式如下:Vout = ( V+ -V-) * Aog其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益(open-loop differential gai由于运算放大器的开环回路增益非常高,因此就算输入端的差动讯号很小,仍然会让输出讯号「饱和」(saturation),导致非线性的失真出现。
因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中,少数的例外是用运算放大器做比较器(comparator),比较器的输出通常为逻辑准位元的「0」与「1」。
闭环负反馈将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来,放大器电路就处在负反馈组态的状况,此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。
运算放大器原理
运算放大器原理时间:2008-12-21 11:29:37 来源:资料室作者:运算放大器原理运算放大器(Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP)是一种直流耦合﹐差模(差动模式)输入、通常为单端输出(Differential-in, single-ended output)的高增益(gain)电压放大器,因为刚开始主要用于加法,乘法等运算电路中,因而得名。
一个理想的运算放大器必须具备下列特性:无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。
最基本的运算放大器如图1-1。
一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。
图1-1通常使用运算放大器时,会将其输出端与其反相输入端(inverting input node)连接,形成一负反馈(negative feedback)组态。
原因是运算放大器的电压增益非常大,范围从数百至数万倍不等,使用负反馈方可保证电路的稳定运作。
但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈(positive feedback),相反地,在很多需要产生震荡讯号的系统中,正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。
开环回路图1-2开环回路运算放大器开环回路运算放大器如图1-2。
当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时,其输出与输入电压的关系式如下:V out = ( V+ -V-) * Aog其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益(open-loop differential gai由于运算放大器的开环回路增益非常高,因此就算输入端的差动讯号很小,仍然会让输出讯号「饱和」(saturation),导致非线性的失真出现。
因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中,少数的例外是用运算放大器做比较器(comparator),比较器的输出通常为逻辑准位元的「0」与「1」。
最全最详细的运放原理应用电路
最全最详细的运放原理应用电路运放(Operational Amplifier,简称Op-Amp)是一种重要的电子元件,用于放大、滤波、比较、求和、整形等各种电子电路中。
它具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗等性质,被广泛应用于电子电路中。
运放的原理是利用集成电路制造技术将三个主要的元件:差动放大器、单端差动经过放大器和本地负反馈电路封装在同一个芯片上。
这些元件都是由层叠的晶体管、电阻和电容组成的。
运放的输入阻抗非常高,输出阻抗非常低,电压增益可达到几十到几百万倍。
下面介绍一些常见的运放应用电路:1.放大器电路:最常见的应用是作为放大器,将输入信号放大到所需要的幅值。
放大器电路可分为非反馈放大器和反馈放大器。
非反馈放大器中,运放的输出直接连接到负载。
反馈放大器中,运放的输出通过反馈电阻连接到输入端。
2.比较器电路:将运放作为比较器使用,可以将两个电压进行比较,并输出高、低电平,表示大小关系。
比较器常用于触发电路、开关控制、电压检测等应用。
3.滤波器电路:利用运放的高增益和反馈功能,可以构造各种滤波器电路,如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
滤波器电路常用于去除噪声、频率选择等应用。
4.仪器放大器电路:运放可以构造仪器放大器(Instrumentation Amplifier),用于增益、滤波和抑制噪声。
仪器放大器常用于信号传感器放大和信号测量。
5.非线性电路:利用运放的饱和功能,可以构造非线性电路,如正弦波振荡器、方波产生器等。
非线性电路常用于音频合成、控制电路等应用。
6.数字模拟转换器:运放可以构造模拟至数字转换器(Analog-to-Digital Converter,简称ADC)。
ADC将模拟信号转换为数字信号,常用于传感器信号采集、工业自动化等领域。
7.电压参考电路:运放可以构造稳定的电压参考电路,用于提供稳定的基准电压,常用于电源管理、精确测量等应用。
以上只是一部分运放的应用电路,运放的功能和应用非常广泛。
电路中的运算放大器设计与应用
电路中的运算放大器设计与应用引言:在现代电子技术中,运算放大器(Operational Amplifier,简称Op-Amp)是一种常见且广泛应用的电子元件。
作为电路中的重要组成部分,运算放大器不仅可以放大电压信号,还可以执行各种数学和逻辑运算。
在本文中,将重点探讨运算放大器的设计原理以及其在电子领域中的应用。
一、运算放大器的基本原理运算放大器是一种差分输入、差模输出的电子放大器。
它由多个晶体管和其它元件组成,其关键特性在于放大器对输入信号的放大倍数非常大。
1.1 差分放大器差分放大器是运算放大器的核心部分,它可以将两个输入信号进行差分放大。
常见的差分放大器电路由两个输入电阻和一个共尺负反馈电路组成。
其中,共尺负反馈电路可有效提高放大器的稳定性和抑制噪声。
1.2 反馈电路反馈电路是运算放大器设计中的重要组成部分。
一般情况下,反馈电路分为负反馈和正反馈两种。
其中,负反馈电路是常用的电路设计方式,通过将放大器的输出信号与输入信号进行反相比较,可以减小电路的非线性和失真,提高放大器的性能。
二、运算放大器的应用领域运算放大器是电子领域中广泛应用的元件,其应用范围涵盖了模拟电路、数字电路和信号处理等领域。
2.1 模拟电路在模拟电路中,运算放大器可以用于放大、滤波、积分和微分等功能。
例如,在语音信号处理中,运算放大器可以用来放大音频信号,保持信号质量和提高音频系统的动态范围。
2.2 数字电路在数字电路中,运算放大器可以被用作比较器、振荡器和数据转换等功能。
通过将运算放大器与其他数字元件结合,可以实现数据的采集、转换和处理。
2.3 信号处理在信号处理中,运算放大器可用于滤波、放大、采样和保持等功能。
例如,在音频放大器中,运算放大器可以将音频信号放大,使其能够驱动扬声器产生更高的声音。
三、运算放大器设计与实践在运算放大器的设计和应用过程中,需要考虑多方面的因素,包括增益、带宽、失真和电源稳定性等。
3.1 增益增益是运算放大器的重要参数之一。
运算放大器经典电路
运算放大器经典电路
运算放大器经典电路
运算放大器经典电路是一种电路,它可以放大输入信号的幅度,并将
其转换为输出信号。
它是一种非常重要的电路,在电子设备中被广泛
应用。
运算放大器经典电路的结构简单,但是它的功能却非常强大。
运算放大器经典电路的结构由输入电路、放大电路和输出电路组成。
输入电路用于接收输入信号,并将其转换为电压信号;放大电路用于
放大输入信号的幅度;输出电路用于将放大后的信号转换为输出信号。
运算放大器经典电路的功能非常强大,它可以实现多种功能,如放大、滤波、增益控制、比较、改变信号的相位等。
它还可以用于实现复杂
的运算,如积分、微分、移相等。
运算放大器经典电路的应用非常广泛,它可以用于控制系统、测量系统、信号处理系统、通信系统等。
它还可以用于实现复杂的运算,如
积分、微分、移相等。
运算放大器经典电路的优点是结构简单,功能强大,可以实现多种功能,应用广泛,可靠性高,成本低。
它的缺点是受到外界环境的影响,可能会导致信号失真,影响系统的精度。
总之,运算放大器经典电路是一种重要的电路,它的结构简单,功能
强大,应用广泛,可靠性高,成本低,是电子设备中的重要组成部分。
运放的开环闭环
运放的开环闭环运放的开环闭环是电子电路中常见的概念。
运放(Operational Amplifier)是一种高增益、差分输入、差模输出的电子器件,广泛应用于模拟电路和信号处理领域。
它可以实现信号放大、滤波、积分、微分等功能,是许多电路设计中重要的基础元件。
一、运放的基本结构和特性运放通常由一个差分输入级和一个差模输出级组成。
差分输入级包含两个输入端和一个差分放大器,用于将输入信号转换为差分信号。
差模输出级包含一个输出端和一个输出级,用于将差分信号转换为单端输出信号。
运放具有以下特性:1. 高增益:运放的开环增益非常高,通常在几万到几百万倍之间。
2. 大输入阻抗:运放的输入端具有很高的阻抗,可以减小外部电路对输入信号的影响。
3. 小输出阻抗:运放的输出端具有很小的阻抗,可以提供较大的输出功率。
4. 宽带宽:运放具有较宽的频带宽度,能够处理高频信号。
5. 高共模抑制比:运放可以有效抑制共模信号的干扰。
二、运放的开环和闭环1. 开环运放:当运放的输出端未连接到反馈回路时,称为开环运放。
开环运放的特点是增益非常高,但稳定性较差,容易受到噪声和温度变化的影响。
在实际应用中,很少直接使用开环运放。
2. 闭环运放:当运放的输出端连接到反馈回路时,称为闭环运放。
闭环运放通过反馈回路将一部分输出信号送回输入端,使得输出信号与输入信号之间存在负反馈关系。
闭环运放的特点是增益稳定、精确可控,能够提供稳定且精确的放大功能。
三、运放的反馈类型根据反馈回路的连接方式,可以将运放的反馈分为正反馈和负反馈两种类型。
1. 正反馈:正反馈是指将一部分输出信号直接或间接地送回到输入端,使得输出信号与输入信号之间存在正相关关系。
正反馈会增强系统的不稳定性,容易产生自激振荡等问题,在实际应用中很少使用。
2. 负反馈:负反馈是指将一部分输出信号送回到输入端,并与输入信号相减,使得输出信号与输入信号之间存在负相关关系。
负反馈能够提高系统的稳定性、减小非线性失真、扩大带宽等。
运算放大器实现有源环形器
RF design awardsLow Frequency Circulator/Isolator Uses No Ferrite or Magnetby Charles WenzelWenzel Associates, Inc.This is the Grand Prize winner in the Design category of the 1991 RF Design Awards Contest. For his achievement, the author was awarded an HP 8591A portable spectrum analyzer from Hewlett Packard.he ferrite circulator/isolator is anamazing and important tool for the microwave engineer. Unfortunately, for frequencies below several hundred megahertz, the size of the magnets and ferrite becomes unworkable and the cost skyrockets. With the advent of remarkably fast op-amps, it has become practical to construct a low power equivalent to the circulator that works all the way down to DC and exhibits superb reverse isolation and impedance characteristics to frequencies above 100 MHz.Suitable for small signal applications, the active circulator is excellent for matching and tuning antennas, amplifiers, and oscillators. Figure 1 shows a schematic of the circuit. Figure 2 is a photo of the prototype. The isolated 50 ohm resistance presented at each port makes experiments with non-linear or reactive devices such as detectors, mixers, frequency multipliers, and filters straight-forward since both the signal source and the analyzer are isolated from the device under test. Engineers working with lower RF frequencies will find the active circulator to be a welcome addition to the test bench.The purpose of the circulator is to absorb all energy entering a port and to pass that energy on to the next port. High reverse isolation ensures that the energy flows in one direction around the circulator and that the impedance of one port is not affected by the other ports. The microwave circulator uses the non-linear properties of ferrite immersed in a magnetic field whereas this circuit uses high speed operational amplifiers.For the circulator to work properly, each port must exhibit the characteristics of a Thevenin equivalent consisting of a 50 ohm resistor and a voltage source with a voltage twice as large as the voltage arriving at the previous port. Note that this voltagesource ignores signals leaving theprevious port as well as any signals onany other ports. The factor of twomakes up for the drop across theThevenin resistance when a 50 ohmload is connected.First, the 50 ohm resistance resultsfrom the two, 100 ohm resistors leadingto virtual grounds -that is points that areheld at a fixed voltage regardless of thecurrent.The Thevenin voltage source is alittle less obvious since the two 100ohm resistors are connected to twodifferent voltages that average to thedesired factor of two. Each op-ampamplifies it's input signal by 3.236which is applied to one of the resistors.A voltage divider drops this voltagedown to 0.764 which is applied to thepositive input of the next op-amp. Sincethe other resistor is connected to thefeedback node of this op-amp, it seesthe same 0.764 size signal. Theaverage of 3.236 and 0.764 gives thedesired factor of two. Figure 3 showsthe forward gain versus frequency fordifferent supply voltages. Thedifferential gain is set so that signalsleaving a port terminated with 50 ohmswill generate no output at the followingport. A load impedance other than 50ohms generates a “reflection” which ispassed on to the next port. The op-amps provide inherent reverse isolationas shown in figure 5 and the powerhandling capability is shown in figure 4.The purist will note that a polarityreversal occurs from one port to thenext due to the inverting op-ampconfiguration. More ports may be easilyadded to the circulator by repeating theobvious pattern.Since the circulator works down toDC, its behavior can be observed with amultimeter. The port resistance can bemeasured with an ohm-meter andTduring the measurement the ohm-meter's test voltage appears at the next port (inverted). If -1 VDC is applied to port 1 then 1 VDC will appear across 50ohms at port 2 and 0 VDC will appear at port 3. But if the load is removed at port 2 then the 1 VDC will "reflect in phase” and constructively add to give 2volts at port 2 and the reflected 1 VDC will appear at port 3 (as -1 VDC due to the op-amp inversion). Now if port 2 is shorted then the 1 VDC will “reflect out of phase" and will destructively add to give 0 VDC at port 2 ( an unusual way to describe why a short gives 0 VDC).This inverted volt circulates to port 3 where +1 VDC appears across the load !COMPONENT SELECTIONThe CLC406 op-amp selected for this design is not the fastest or highest power device that Comlinear Corporation manufactures, but instead represents the economy end of the spectrum with a price below $10. As Figures one through three show, this inexpensive amp delivers impressive performance at 5 VDC, even better performance near the absolute maximum rating at 6.8 VDC, and amazing performance well above spec.limit at 12 VDC! Operating above maximum ratings is not recommended.A better choice would be to select a faster, more powerful op-amp (or use sockets).Stable, low inductance precision resistors are required for optimum results. The 323.6 ohm resistance can be achieved by paralleling a 330 ohm with a 16.8 kohm. The resistor values shown may be scaled to build a circulator with a different characteristic impedance. For example, a 75 ohmcirculator would use resistors 1.5 times larger in all positions. It is interesting to note that a circulator could be built with a different characteristic impedance at each port.Bypass capacitors must be connected to both power supply pins of each op-amp to the ground plane. The prototype uses 0.1 uF ceramic chip capacitors soldered directly from the IC to the ground plane.APPLICATIONSThe circulator is a natural choice for the matching and tuning of low level amplifiers. With the signal source connected to port 1, the amplifier's input or output to port 2, and a signal analyzer to port 3, the amplifier is tuned for maximum return loss by adjusting for minimum signal at port 3. A high return loss is synonymous with a good VSWR since a well matched amplifier will "return", as a reflection, very little of the input signal.Low level signal sources may also be adjusted for 50 ohm output impedance in a similar way. Simply adjust the frequency of the test signal until it is close to the carrier then tune the source for minimum reflection. Again, the reflected signal appears at the next port. If the source's amplitude is too high for the circulator's op-amps to handle just add an accurate attenuator.The circulator's accuracy is sufficiently high to "see" the return loss of a source through a small pad. Remember, the test signal passes through the pad twice and is attenuated each time so the return loss will seem better than it actually is by twice the attenuator value.In fact, a pad terminated with an open orshort will exhibit a return loss exactly twice the pad's attenuation factor since the return loss of an open or short is zero.Antennas may be tuned in a similar manner without using large signals that might cause interference with others. A low power generator is connected to port 1, the antenna to port 2, and some form of power or signal level indicator to port 3. The signal level at port 3 is proportional to the transmission loss and should be minimized by tuning the antenna matching network.Figure 2. Constructed low frequency circulator/isolator.Figure 4. Distortion versus input power for differentsupply voltages.Figure 5. Reverse isolation versus frequency for differentsupply voltages.Figure 3. Forward gain versus frequency fordifferent supply voltages.A time domain reflectometer is easily realized by applying a fast square wave or pulse to port 1 and connecting the device or cable under test to port 2. Breaks in the cable or other high impedance anomalies will reflect pulses with the same polarity as the input whereas shorts or lower impedances will reflect inverted pulses. Remember the inversion from one port to the next.A clean test signal is necessary for good results.The active circulator brings many of the features of its big brother, the microwave ferrite circulator, down to the lower RF frequencies. Although the active version obviously lacks the power handling capabilities of typical circulators, the small signal applications abound. RF。
基于运算放大器的电流环设计 - 副本
目录第1章摘要 (5)第2章引言 (5)第3章基于运算放大器的电流环设计 (5)3.1电流环理论分析 (5)3.2电路图设计 (6)3.3计算过程 (9)第4章基于运算放大器的电流环的性能测试 (11)4.1Mutisim实验及实验记录 (11)4.2实验结果分析 (13)第5章心得体会 (14)参考文献 (14)第1章摘要本文介绍了一种基于运算放大器的电流环的设计方案,简要的介绍了电流环的工作原理与设计方案,并详细地介绍了该电流环的参数设计和制作过程,通过multisim的仿真与测试,记录和分析了该电流环的工作特性与性能,给出了仿真数据。
论证了该电流环的可行性。
该电流环性能良好,电路线路简单,易于实现,具有很高的实际应用价值。
第2章引言在工业现场,用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输,会产生以下问题:第一,由于传输的信号是电压信号,传输线会受到噪声的干扰;第二,传输线的分布电阻会产生电压降;第三,在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。
为了解决上述问题和避开相关噪声的影响,我们用电流来传输信号,因为电流对噪声并不敏感。
4~20mA的电流环便是用4mA表示零信号,用20mA表示信号的满刻度,而低于4mA 高于20mA的信号用于各种故障的报警。
一般传感器会把一个物理信号利用电桥等转化为与之对应的电信号,比如电压或电流。
当然要产生4-20ma的电流信号,则把电压信号利用放大电路进行变换之后肯定是能做到的。
如果传感器直接出来的是电流信号,则可以先变为电压信号,再经过信号调理电路肯定还能转换到4-20ma的电流信号。
第3章基于运算放大器的电流环设计3.1电流环理论分析电流环通常包括传感器、发送器、接收器和ADC或微控制器。
传感器用于测量物理参数(如压力或温度),提供相应的输出电压;发送器将传感器输出按比例转换成4~20mA 电流信号;接收器则将4~20mA电流转换为电压信号,ADC或微控制器将接收器的电压输出转换成数字信号。
实验四 运算放大器与受控源(共7页)
实验四 运算放大器与受控源一、 实验目的1. 加深对受控电源的认识和理解 。
2. 通过实验熟悉运算放大器的使用,形成有源器件的概念。
3. 掌握测试受控源的外特性、转移参数及负载特性的方法。
二、实验原理简述运算放大器是一种高增益,高输入阻抗和低输出阻抗的放大器,常用图4.1(a )所示电路符号来表示。
它有两个输入端,一个输出端和一个对输入和输出信号的参考接地端。
“+”端为正相输入端,当信号从正相输入端输入时,输出信号与输入信号极性相同;“-”为反向输入端,当信号从反向输入端输入时,输出信号与输入信号极性相反。
(a ) (b )图4.1 运算放大器的电路符号及等效电路当两输入端同时有电压作用时,输出电压)(00n p u u A u -=其中0A 称为运算放大器的开环放大倍数。
理想情况下,0A 和输入电阻in R 为无穷大,因此有:n p u u =0==inp p R u i0==innn R u i 上述式子表明:(1)运算放大器“+”端与“-”端电位相等,通常称为“虚短路”; (2)运算放大器的输入端电流等于零,通常称为“虚断路”; (3)理想运算放大器的输出电阻很小,可以认为是零。
这些重要性质是简化分析含有运算放大器网络的依据。
运算放大器的电路模型为一受控电源,如图4.1(b )所示。
在它的外部接入不同的电源元件,可以实现信号的模拟运算或模拟变换,它的应用极其广泛。
含有运算放大器的电路是一种有源网络,本次实验将要研究由运算放大器组成的几种基本线性受控电源电路。
(1)图4.2(a )所示是一个由运算放大器构成的电压控制电压源(VCVS )。
由于运算放大器的同相输入端“+”和反相输出端“-”为“虚短路”,所以有1u u u n p ==(a ) (b )图4.2 VCVS故2122R uR u i n R ==又因21R R i i =所以121212121212)1()()(221u R R R R R u R R i R i R i u R R R +=+=+=+= 即运算放大器的输出电压2u 受输入电压1u 控制,其电压比为21121R R u u +==μ μ无量纲,又称为电压放大系数。
数模混合信号芯片中的运算放大器
数模混合信号芯片中的运算放大器运算放大器是指一种能够将输入信号放大的电子设备。
它在混合信号芯片中扮演着重要角色,用于处理模拟信号。
本文将介绍运算放大器的工作原理、应用领域以及一些相关概念。
一、运算放大器的工作原理运算放大器由多个晶体管和电阻器组成,其核心是差分放大器。
差分放大器由两个晶体管组成,分别为NPN型和PNP型。
当输入端的电压发生变化时,差分放大器会将这种变化放大并反馈到输出端。
运算放大器的输入端有两个,分别为非反相输入端(+IN)和反相输入端(-IN)。
在理想情况下,当+IN的电压大于-IN的电压时,输出端的电压会上升;当+IN的电压小于-IN的电压时,输出端的电压会下降。
这种特性使得运算放大器可以进行放大操作。
二、运算放大器的应用领域1. 模拟信号处理:运算放大器广泛应用于模拟信号处理领域,如滤波器、放大器、振荡器等。
它可以将低频信号放大到足够的幅值,以便后续的处理和分析。
2. 比较器:运算放大器还可以用作比较器,用于比较两个输入信号的大小。
当+IN的电压大于-IN的电压时,输出端的电压为高电平;反之,输出端的电压为低电平。
这种特性使得运算放大器在模拟电路中起到了关键作用。
3. 信号发生器:运算放大器可以与其他电路组合使用,构成稳定的振荡器电路。
通过调节输入信号的幅值和频率,可以产生多种不同的信号波形,如正弦波、方波和三角波等。
三、相关概念1. 增益:运算放大器的增益是指输出信号与输入信号之间的比值。
增益可以通过调节电路元件的参数来控制。
2. 带宽:运算放大器的带宽是指其能够放大的频率范围。
一般来说,带宽越大,运算放大器的性能越好。
3. 输入偏置电流:运算放大器的输入偏置电流是指输入端的电流偏移。
它会对放大器的性能产生影响,应尽量降低。
4. 输出阻抗:运算放大器的输出阻抗是指其输出信号对外部电路的影响。
输出阻抗越小,运算放大器的输出信号越稳定。
四、总结运算放大器是混合信号芯片中的重要组成部分,用于放大模拟信号。
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RF design awardsLow Frequency Circulator/Isolator Uses No Ferrite or Magnetby Charles WenzelWenzel Associates, Inc.This is the Grand Prize winner in the Design category of the 1991 RF Design Awards Contest. For his achievement, the author was awarded an HP 8591A portable spectrum analyzer from Hewlett Packard.he ferrite circulator/isolator is anamazing and important tool for the microwave engineer. Unfortunately, for frequencies below several hundred megahertz, the size of the magnets and ferrite becomes unworkable and the cost skyrockets. With the advent of remarkably fast op-amps, it has become practical to construct a low power equivalent to the circulator that works all the way down to DC and exhibits superb reverse isolation and impedance characteristics to frequencies above 100 MHz.Suitable for small signal applications, the active circulator is excellent for matching and tuning antennas, amplifiers, and oscillators. Figure 1 shows a schematic of the circuit. Figure 2 is a photo of the prototype. The isolated 50 ohm resistance presented at each port makes experiments with non-linear or reactive devices such as detectors, mixers, frequency multipliers, and filters straight-forward since both the signal source and the analyzer are isolated from the device under test. Engineers working with lower RF frequencies will find the active circulator to be a welcome addition to the test bench.The purpose of the circulator is to absorb all energy entering a port and to pass that energy on to the next port. High reverse isolation ensures that the energy flows in one direction around the circulator and that the impedance of one port is not affected by the other ports. The microwave circulator uses the non-linear properties of ferrite immersed in a magnetic field whereas this circuit uses high speed operational amplifiers.For the circulator to work properly, each port must exhibit the characteristics of a Thevenin equivalent consisting of a 50 ohm resistor and a voltage source with a voltage twice as large as the voltage arriving at the previous port. Note that this voltagesource ignores signals leaving theprevious port as well as any signals onany other ports. The factor of twomakes up for the drop across theThevenin resistance when a 50 ohmload is connected.First, the 50 ohm resistance resultsfrom the two, 100 ohm resistors leadingto virtual grounds -that is points that areheld at a fixed voltage regardless of thecurrent.The Thevenin voltage source is alittle less obvious since the two 100ohm resistors are connected to twodifferent voltages that average to thedesired factor of two. Each op-ampamplifies it's input signal by 3.236which is applied to one of the resistors.A voltage divider drops this voltagedown to 0.764 which is applied to thepositive input of the next op-amp. Sincethe other resistor is connected to thefeedback node of this op-amp, it seesthe same 0.764 size signal. Theaverage of 3.236 and 0.764 gives thedesired factor of two. Figure 3 showsthe forward gain versus frequency fordifferent supply voltages. Thedifferential gain is set so that signalsleaving a port terminated with 50 ohmswill generate no output at the followingport. A load impedance other than 50ohms generates a “reflection” which ispassed on to the next port. The op-amps provide inherent reverse isolationas shown in figure 5 and the powerhandling capability is shown in figure 4.The purist will note that a polarityreversal occurs from one port to thenext due to the inverting op-ampconfiguration. More ports may be easilyadded to the circulator by repeating theobvious pattern.Since the circulator works down toDC, its behavior can be observed with amultimeter. The port resistance can bemeasured with an ohm-meter andTduring the measurement the ohm-meter's test voltage appears at the next port (inverted). If -1 VDC is applied to port 1 then 1 VDC will appear across 50ohms at port 2 and 0 VDC will appear at port 3. But if the load is removed at port 2 then the 1 VDC will "reflect in phase” and constructively add to give 2volts at port 2 and the reflected 1 VDC will appear at port 3 (as -1 VDC due to the op-amp inversion). Now if port 2 is shorted then the 1 VDC will “reflect out of phase" and will destructively add to give 0 VDC at port 2 ( an unusual way to describe why a short gives 0 VDC).This inverted volt circulates to port 3 where +1 VDC appears across the load !COMPONENT SELECTIONThe CLC406 op-amp selected for this design is not the fastest or highest power device that Comlinear Corporation manufactures, but instead represents the economy end of the spectrum with a price below $10. As Figures one through three show, this inexpensive amp delivers impressive performance at 5 VDC, even better performance near the absolute maximum rating at 6.8 VDC, and amazing performance well above spec.limit at 12 VDC! Operating above maximum ratings is not recommended.A better choice would be to select a faster, more powerful op-amp (or use sockets).Stable, low inductance precision resistors are required for optimum results. The 323.6 ohm resistance can be achieved by paralleling a 330 ohm with a 16.8 kohm. The resistor values shown may be scaled to build a circulator with a different characteristic impedance. For example, a 75 ohmcirculator would use resistors 1.5 times larger in all positions. It is interesting to note that a circulator could be built with a different characteristic impedance at each port.Bypass capacitors must be connected to both power supply pins of each op-amp to the ground plane. The prototype uses 0.1 uF ceramic chip capacitors soldered directly from the IC to the ground plane.APPLICATIONSThe circulator is a natural choice for the matching and tuning of low level amplifiers. With the signal source connected to port 1, the amplifier's input or output to port 2, and a signal analyzer to port 3, the amplifier is tuned for maximum return loss by adjusting for minimum signal at port 3. A high return loss is synonymous with a good VSWR since a well matched amplifier will "return", as a reflection, very little of the input signal.Low level signal sources may also be adjusted for 50 ohm output impedance in a similar way. Simply adjust the frequency of the test signal until it is close to the carrier then tune the source for minimum reflection. Again, the reflected signal appears at the next port. If the source's amplitude is too high for the circulator's op-amps to handle just add an accurate attenuator.The circulator's accuracy is sufficiently high to "see" the return loss of a source through a small pad. Remember, the test signal passes through the pad twice and is attenuated each time so the return loss will seem better than it actually is by twice the attenuator value.In fact, a pad terminated with an open orshort will exhibit a return loss exactly twice the pad's attenuation factor since the return loss of an open or short is zero.Antennas may be tuned in a similar manner without using large signals that might cause interference with others. A low power generator is connected to port 1, the antenna to port 2, and some form of power or signal level indicator to port 3. The signal level at port 3 is proportional to the transmission loss and should be minimized by tuning the antenna matching network.Figure 2. Constructed low frequency circulator/isolator.Figure 4. Distortion versus input power for differentsupply voltages.Figure 5. Reverse isolation versus frequency for differentsupply voltages.Figure 3. Forward gain versus frequency fordifferent supply voltages.A time domain reflectometer is easily realized by applying a fast square wave or pulse to port 1 and connecting the device or cable under test to port 2. Breaks in the cable or other high impedance anomalies will reflect pulses with the same polarity as the input whereas shorts or lower impedances will reflect inverted pulses. Remember the inversion from one port to the next.A clean test signal is necessary for good results.The active circulator brings many of the features of its big brother, the microwave ferrite circulator, down to the lower RF frequencies. Although the active version obviously lacks the power handling capabilities of typical circulators, the small signal applications abound. RF。