4.1.3 加法和减法运算电路

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基本运算放大电路(三) 本节包含两部分内容 加法运算电路和减法运算电路 加法运算电路 在模拟信号处理中 将两个信号进行叠加的需求是很普遍的 同相比例电路和反相比例电路 作为运放使用的两个基本拓扑 都可以实现加法运算 我们先来看反相比例加法电路 在图示电路图的反相端,我们加入三个信号 VG1、VG2、VG3 都加在反相输入端 根据虚短和虚断,我们会有 UP = UN =0 所以我们就可以列出方程 RF 上的电流将等于 R1 上的电流加上 R3 上的电流加上 R4 上的电流 好,将实际参数代入公式 我们得到 Uo = -(UI1 + UI2 + UI3) 上式表明,当各电阻阻值相等时 各输入信号可构成反相加法电路 如果 R1、R3、R4 电阻值不相等 那么就会改变各自信号在整个信号里面所占比例的权重 好,图示为反相比例求和电路的瞬时仿真结果 三个输入信号分别为 1V、2V、3V 那么加出来之后呢,得到的是 6V 只不过呢是个反相的加法 同相比例加法电路 同相比例运算电路也可以构成加法 我们想当然的会设计出如图所示的电路 把三个信号加在同相端呗 按理说这个电路应该是可行的 我们先不计算,看看仿真的结果 好,如图所示 输入信号分别是1、2、3 而输出信号只有 2V 不应该是 6V 吗 为什么实际情况与想象的不同呢 当运放输入端电压为零的时候 各信号可以单独使用叠加原理进行计算 互不影响 可是同相比例电路当中 UP 等于 UN 是等于 Uo 的并不等于0 所以电路等效为这个电路图 实际上我们要求解的是中心点的电压 Uo 它等于什么呢 求解方法,用叠加原理最简单 分别计算三个信号单独作用的结果,然后再叠加 所以呢它会由三部分构成 信号一单独作用 信号二单独作用以及信号三单独作用 加起来的求和 当 R3、R2、R4 都相等,我们化简一下 就可得到其上有个1/3的缩小 所以呢理论算出来等于 2V 和我们刚才的仿真一致 如图所示增加电阻 R1 和 R5 形成对 UP 电压的三倍放大 就可以得到1:1的加法电路了 好,这里是一个同向的比例 三倍 仿真一看 确实输入输出的1、2、3得到了 6V 将理想运放替换为真实运放 UA741,我们看看仿真结果 哎,跟理想情况是一样的 减法运算电路 实际应用中获取两个模拟信号的差值是非常普遍的 比如测量电阻两端的电压,以获取它的电流值 虽然运放其基本特性就是放大两个输入端的差值 但是单独运放无法作为减法电路来使用 我们前面算过 它的输入端它的差值很小 稍微一大就会使运放饱和 所以一定要加着反馈网络 某减法运算电路的 TINA 仿真 按照同相比例反相比例相结合的思想 我们很容易得到一个减法电路 我们把 UI1、UI2 分别加到反相端和同相端看一看 输入信号 VG2 幅值为 3V, VG1 幅值为 1V 而结果是 5V 不应该是减法等于 2V 吗 原因是该电路对于反相输入端的信号来说 是-1倍放大 而对于同相输入端信号呢,是+2倍放大 如此一来 实际上电路就变成了负的 UI1 加上2倍的 UI2 代进去一看 哎,确实是 5V 那我们要的减法怎么办呢 我们改进一下,如果要获得纯粹的减法电路 需要把同相端的放大部分缩小一下 怎么缩小呢 哎,很简单 我们做一个分压 根据虚短虚断以及基尔霍夫定理 我们可以算出输入输出的关系 UP 呢等于0.5倍的 UI2 实际上呢就是 R2 和 R3 的一个分压,0.5倍的 UI2 而 UN 呢 是等于0.5倍的 UI1 和 u 的叠加的效果 好,化简一下 虚短虚断嘛,UP 得等于 UN 呢 我们将得到 Uo 等于 UI2 减去 UI1 真正实现了一个减法 好,仿真下波形 输入信号,黄颜色的 3V 以及输入信号,白颜色的 1V 最终输出红颜色,确实为 2V 符合我们要求的减法 将理想运换为为实际运放呢 我们看一下仿真结果 跟理想运放是一致的 好,本课小结 对于反相比例加法电路,非常简单 我们只要在反相端加入三组信号 就 OK 了 那么外围电阻 R1、R3、R4 以及 RF 如果电阻相等的话 就可以构成一个纯粹的反相求和关系 而同向比例加法电路呢一样在同相端加入三组信号 为了构成纯粹的同相求和的话,最好呢 也在反相端构成一个增益关系 减法运算电路 在反相端和同相端分别加入信号构成的就是减法 但是如果要构成纯粹的减法 那我们需要把同相上的增益缩小 就可以了 好,这节课就到这里
课程介绍 共计80课时,9小时48分45秒

电子电路基础知识讲座

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本系列课程目前共有80讲,由青岛大学和TI德州仪器联合推出,傅强老师主讲。从模拟及电源出发,系统系列地讲解了电路设计上的基础知识,从多方面多角度给学员提供了全面学习的机会,也是工程师快速查找相关基础知识的便捷手段。
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讲师

讲师: 傅强老师

讲师:青岛大学南开大学博士学历。主讲本科的模电和数电课程,以及研究生的电子电力等课程。指导国家级大学生创新创业训练项目,大学生电子设计竞赛, 和企业横向课题等等。

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