北京交通大学：《电路分析》课程教学资源（讲义）10 运放应用电路设计

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组wy运放应用电路设计(1)一，背景运算放大器是构成模拟信号处理电路的最基本构件。图1显示了常见的4运放集成电路芯片及其内部功能示意。在实际应用中，运算放大器可以用来完成放大、隔离、电平移位、加减运算、滤波、波形整形、阻抗变换和电流电压转换等多种功能。运算放大器应用电路繁多，但通常是基于一些典型的电路结构来加以变化和组合形成的。本题目的是了解简单的运放应用电路的原理分析和设计。Out14Out4noutsVccml VEE,GndInputs2Inputs3Out278Out3图1常用的运放芯片及其内部功能二.原理课程学习中了解了运放电路理想模型的虚短路特性，并熟悉了最基本的运放应用电路：基本同相放大器、反相放大器和跟随器电路。除此之外，如下也是一些常见的应用电路：包括电流-电压转换器、求和电路和求差电路。利用这些基本电路加以组合和变形可以得到更多的信号处理功能。（1）同相放大器电路及其变型RRVViRRR.R(1）基本同相放大器(2)变化的同相放大器(3)同相加法器图2同相放大器电路及其变型（2）反相放大器电路及其变型RRR(1）基本反相放大器(2)反相加法器(3)电流-电压转换器图3反相放大器电路及其变型（2）同相与反相放大器组合电路1

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. 运放应用电路设计(1) 一．背景 运算放大器是构成模拟信号处理电路的最基本构件。图 1 显示了常见的 4 运放集成电路 芯片及其内部功能示意。在实际应用中，运算放大器可以用来完成放大、隔离、电平移位、 加减运算、滤波、波形整形、阻抗变换和电流电压转换等多种功能。运算放大器应用电路繁 多，但通常是基于一些典型的电路结构来加以变化和组合形成的。本题目的是了解简单的运 放应用电路的原理分析和设计。 图 1 常用的运放芯片及其内部功能 二．原理 课程学习中了解了运放电路理想模型的虚短路特性，并熟悉了最基本的运放应用电路： 基本同相放大器、反相放大器和跟随器电路。除此之外，如下也是一些常见的应用电路，包 括电流-电压转换器、求和电路和求差电路。利用这些基本电路加以组合和变形可以得到更 多的信号处理功能。 （1）同相放大器电路及其变型 vi vo R1 R2 vo R R R R2 1 vi vo R R v1 v2 R2 R1 (1) 基本同相放大器 (2)变化的同相放大器 (3)同相加法器 图 2 同相放大器电路及其变型 （2）反相放大器电路及其变型 vi vo Rf R1 Rf v i1 vo v i2 R2 R1 iS  Rf  v0 (1) 基本反相放大器 (2)反相加法器 (3)电流-电压转换器 （2）同相与反相放大器组合 图 3 反相放大器电路及其变型 电路 1

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组w.yR2RiViWRi+.40V2R图4减法器电路上面列举的所有电路的功能，可以利用理想运放的虚短路特性计算出电路的输出与输入电压关系而得到验证。请注意：1）在这些简单的电路中，在输出端产生同相信号的输入均直接或间接连接在运放的同相输入端，而在运放输出产生反相成分的输入信号进入反相输入端。2）为了让运放工作在线性工作区，输出电压必须通过某种电阻网络连接到反相输入端。3）当反相输入端为虚地电位时，运放的反相输入端实际上是个电流求和端，从图3（2）、图3（3）看出反相输入端总电流通过反馈电阻Rf变成了输出端电压。4）电路的基本分析方法可用节点法，利用叠加定理和戴维南等效可以简化分析。三问题如下是两个运放应用电路的设计问题。（1）混音电路WNONHoVolVs1 0Vs20Vo图5信号混合电路如图5所示，设计一个线性放大电路，该电路有两个输入电压和两个输出电压，要求用一个电位器调整输出电压中所含两个输入电压信号的比例，关系如下。Vo1 = kvs1 +(1-k)vs2V02=(1-k)vsI +kvs2其中，0<k<1，调整电位器可以让k在0和1之间变化。这个电路可以实现两种信号的不同比例混合，例如立体声信号左右声道的混合，以及背景音乐与话音的混合等功能要求用若干电阻、一个电位器和若干运放设计电路，给出分析计算，并用EWB仿真加以验证。（2）电平平移和比例放大电路LM35是NS公司生产的集成电路温度传感器，它的输出电压与摄氏温度线性成比例，2

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. R1 R1 R2 R2 vi vo v2 v1 图 4 减法器电路 上面列举的所有电路的功能，可以利用理想运放的虚短路特性计算出电路的输出与输入 电压 简单的电路中，在输出端产生同相信号的输入均直接或间接连接在 运放 三．问题 关系而得到验证。 请注意：1）在这些 的同相输入端，而在运放输出产生反相成分的输入信号进入反相输入端。2）为了让运 放工作在线性工作区，输出电压必须通过某种电阻网络连接到反相输入端。3）当反相输入 端为虚地电位时，运放的反相输入端实际上是个电流求和端，从图 3(2)、图 3(3)看出反相输 入端总电流通过反馈电阻 Rf 变成了输出端电压。4）电路的基本分析方法可用节点法，利用 叠加定理和戴维南等效可以简化分析。 如下是两个运放应用电路的设计问题。 （1）混音电路 o1 v o2 v s1 v s2 v o1 v o2 v s1 v s2 v o1 v o2 v s1 v s2 v 图 5 信号混合电路 如图 5 所示，设计一个线性放大电 个输入电压和两个输出电压，要求用 一个 路，该电路有两 电位器调整输出电压中所含两个输入电压信号的比例，关系如下。 )1( vkkvv 02 21 01 1 2 )1( ss s s  kvvkv   其中，0<k<1，调整电位器可以让 k 在 0 和 1 之间变化。这个电路可以实现两种信号的 不同 加 以验 电平平移和比例放大电路 温度传感器，它的输出电压与摄氏温度线性成比例， 比例混合，例如立体声信号左右声道的混合，以及背景音乐与话音的混合等功能。 要求用若干电阻、一个电位器和若干运放设计电路，给出分析计算，并用 EWB 仿真 证。 （2） LM35 是 NS 公司生产的集成电路 2

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组w.y即10.0mV/℃，其测量温度范围为-55～+150℃。在某项应用中，感兴趣的温度范围是30~80℃，因此希望把这段温度范围对应的输出电压转换为0～5V电压。用运放设计一个电平平移和放大电路完成这个转换，如图6所示。给出分析计算，并用EWB仿真加以验证。传电平调整感A/D电路0.3V0.8V0V5V器图6信号电平调整电路3

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. 即 10.0mV/℃，其测量温度范围为-55～+150℃。在某项应用中，感兴趣的温度范围是 30～ 80℃，因此希望把这段温度范围对应的输出电压转换为 0～5V 电压。用运放设计一个电平 平移和放大电路完成这个转换，如图 6 所示。给出分析计算，并用 EWB 仿真加以验证。 传 感 器 电平调整 电路 A/D 0.3V—0.8V 0V—5V 图 6 信号电平调整电路 3