放大器的单电源应用(3)

2019-04-02 09:18

至此,利用式(7-4)(7-5)即可得到各电阻值。 举例1:25倍同相放大。输入为幅度0.1V正弦波,希望输出为基于2.5V的幅度为2.5V的同相正弦波。解:

首先根据设计要求,确定交流增益G=25和0输入时的输出UOZ=2.5V。代入式(7-3),得到a和k。

UOZ2.51?a????GVD?UOZ25?5?2.551? ?G25?1??1?24.5?k?11?a?1?51?设R3=1000,根据式(7-4)(7-5)得到:

R4?kR3?24.5R3?24.5kΩ

R2?R3//R4?51(1k//24.5k)?49kΩ aaRR1?R2?2?0.98kΩ

1?a50以如下电路进行仿真,得到结果如图7-2-3。

T5.004.003.00VF1VF2 V1 5+VG1R3 1k+-+R4 24.5kVF1 Axis label R1 980R2 49kU1 TLV247XA2.001.000.00VF2-1.000.001.00m2.00m3.00m4.00m5.00m图7-2-3 同相25倍增益仿真电路和结果

举例2:0.6倍衰减。要求输入为4V正弦波,输出为基于2.5V的幅度为2.4V的正弦波。 解:交流增益为G=0.6,UOZ=2.5,按照上述相同的算法,假设R3=5100Ω,得到 R4=510Ω,R2=1020Ω,R1=850Ω,仿真电路和结果如图7-2-4。

T5.00R2 1.02kVF2 2.50Axis label VF1R1 850V1 5+VG1R3 5.1k+-U1 TLV247XA+R4 510VF1 0.00-2.50VF2-5.000.001.00m2.00m3.00m4.00m5.00m图7-2-4 同相0.6倍增益仿真电路和结果

举例3:同相1倍。要求输入2V正弦波,输出为基于2.25V的幅度为2V的正弦波。 解:交流增益为G=1,UOZ=2.25,按照上述相同的算法,假设R3=1000Ω,得到 R4=450Ω,R2=1000Ω,R1=450Ω,仿真电路和结果如图7-2-5。

T5.004.003.00R2 1kVF2 R1 450V1 5+VG1R3 1k+R4 450VF1 Axis label +-U1 TLV247XA2.001.000.00-1.00-2.000.001.00m2.00mVF2VF13.00m4.00m5.00m图7-2-5 同相1倍增益2.25V偏移仿真电路和结果

同相衰减(G<=0.5)

在假设输出是基于2.5V的情况下,图7-2-2电路只能实现G>=0.5的增益,其中G=0.5可以采用断开R3,R2=R1=2R4实现。但是,如果需要交流增益小于0.5的同相放大,上述电路就无能为力了。

要实现更小的增益,在UA处增加一个电阻R5接地,且将后续R3的增益环节去掉,让其变成跟随器。只要R5足够小,就可以实现更大程度的衰减,电路结构如图7-2-6所示。

VD R2

R1 Uo UA R5 RL Ui

R4

图7-2-6单电源提升式同相,G<=0.5

假设增益为G,零输入时输出为UOZ,则有下式成立:

R2R5??R2//R5R2?R5R2R5?G???R1?R2//R5R1R2?R1R5?R2R5R1R2?R1R5?R2R5? ?R2?R5?R1//R5R1R5?U?V?VDD?OZR2?R1//R5R1R2?R1R5?R2R5?上式相除,得

R2G,即 ?R1VDUOZR2?GVDR1

UOZ (7-6)

再将式(7-6)代入G的表达式,并同乘以分母,得

GR1GVDGVDGVDR1?GR1R5?GR1R5?R1R5UOZUOZUOZ,化简之,得

R5(VDVVR1?GDR1?R1)?R1R1GD,再化简,得 UOZUOZUOZR5?GVDR1

VD?GVD?UOZ

(7-7)

为了平衡运放的输入端,也考虑到某些具有输入保护二极管的运放需要增加跟随器保护电阻,电路中保留了不影响计算的R4,其大小为:

R4?R1//R2//R5

(7-8)

从式(7-7)也可看出,如果G>0.5,分母有可能为负值。如果要求G=0.5,在UOZ=VD/2情况下,R5表达式的分母为0,理论上R5为无穷大。其实,把R5断开,就与图7-2-2电路实现G=0.5殊途同归了。

举例1:要求将一个标准正弦波衰减0.2倍,形成基于2.5V的输出。 解:可知G=0.2,UOZ=2.5,根据式(7-6)(7-7)计算得:设R1=10000,R2=4000,R5=6667,仿真电路及结果如图7-2-7所示。

T5.00VF2 R2 4kVF3 R1 10kV1 5R5 6.7k++-+U1 TLV247XAVF1 Axis label 2.50VG10.00-2.50-5.000.001.00m2.00m3.00m4.00m5.00m图7-2-7 同相0.2倍增益仿真电路和结果

举例2:要求将一个标准正弦波衰减0.48倍,形成基于2V的输出。 解:可知,G=0.48,UOZ=2。代入式(7-6)(7-7),设R1=1000,R2=1200,R5=4000,仿真电路及结果如图7-2-8所示。

T4.003.00VF1VF3R2 1.2kVF2 VF3 R1 1kV1 5+R5 4k+-+U1 TLV247XAVF1 Axis label 2.001.000.00-1.00-2.00-3.000.001.00m2.00mVF2VG13.00m4.00m5.00m图7-2-8 同相0.48倍增益偏移2V仿真电路和结果

反相放大

在直接耦合电路中,反相放大器设计思路较为清晰,只需一个电路就可实现衰减或者放大。其结构如图。

VD R2

R1 Uo UA

RL Ui

R3 R4

图7-2-9 单电源提升式反相放大电路

与前述电路类似,设计者需要确定交流增益G,以及零输入时输出电平UOZ,也需要首先确定电阻R3,其余电阻都以R3为基准计算。

由于已知G,则

R4?GR3

在零输入情况下

(7-9)

UOZ?UA(1?G)?R1VD(1?G),所以

R1?R2UOZR1,结合R1//R2?R3//R4解得 ?R1?R2VD(1?G)R2?GVDR3 UOZ

(7-10)

R1?GVDR3

VD(1?G)?UOZ (7-11)

举例1:反相10倍,输出基于2.5V。

解:选定R3=1000,计算得R4=10kΩ,R1=952.38,R2=20kΩ,仿真结果如图7-2-10。

T5.004.00VF1VF2 R2 20kVF3 +-R3 1k+U1 TLV247XAVF1 Axis label 3.002.001.00VF30.00VF2-1.000.001.00m2.00m3.00m4.00m5.00mVG1R1 952.4V1 5+R4 10k图7-2-10 反相10倍增益仿真电路和结果

举例2:反相1倍,输出基于2.5V。

解:选定R3=1000,计算得R4=1kΩ,R1=666.67,R2=2kΩ,仿真结果如图7-2-11。

T5.004.00R2 2kVF2 VF1VF3 +-R3 1kR4 1k+U1 TLV247XAVF1 Axis label 3.002.001.000.00-1.00-2.00-3.000.001.00m2.00m3.00m4.00m5.00mVF2VF3VG1R1 666.66V1 5+图7-2-11 反相1倍增益仿真电路和结果

举例3:反相0.1倍,输出基于1.5V。

解:选定R3=10000,计算得R4=1kΩ,R1=1250,R2=3333,仿真结果如图7-2-11。

T8.006.00VF2 R2 3.33kVF3 +-R3 10k+U1 TLV247XAVF1 Axis label 4.002.000.00-2.00-4.00-6.00-8.000.001.00m2.00m3.00m4.00m5.00mVF3VF1VF2VG1R1 1.25kV1 5+R4 1k图7-2-11 反相1倍增益仿真电路和结果

7.2.2. 直耦型——同电位信号传递

所谓的单电源电路之间的信号传递,是指输入信号来自于前级的单电源电路,除去交变成分外,本身就具有一个直流电压。此时,需要已知前级的直流电压UIZ,输出直流电压UOZ,以及电路增益G。那么,在UIZ不等于UOZ的情况下,这类电路的分析甚至比前面电路还要复杂。但是,如果统一输入输出的直流电平都保持在相同的电位——电源电压的1/2,电路结构反而会更加简单。此类电路称为同电位电路。

同电位反相放大

要求输入为基于VD/2的信号,输出也为基于VD/2的信号,具有增益G反相放大。电

VD R2 路结构如图7-2-12所示。 R1 Uo UA VD/2 RL Ui R3 R4 V/2 D图7-2-12 同电位反相放大电路


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