运算放大器电压转换电路
运算放大器应用 1 信号电压变换电路
Vo
上述电路边界条件:R1=R2,
运放处于线性放大区,所以其2、3两脚电位相同,故Vp既为3脚电压,也是2脚电压。
设计方法:
关键思路是,Vp与Vi呈线性关系,Vo又与Vp呈线性关系,才保证了Vo与Vi呈线性关系。根据回路电压定律和节点电流定律可以得到:
因为R1=R2,所以推导中,遇到R2之处,全部写为R1, 据图中,(Vi-Vp)/R1+(Vref-Vp)/R1=Vp/R3 (节点电流定律),从而可得下式 Vp=Vi/(R1/R3+2)+Vref/(R1/R3+2) (1)
Vo与Vp的关系是:在线性放大区内,运放的同相端和反相端电压相等,故2脚电压也是Vp,从而得公式Vp/R4=(Vo-Vp)/Rf,从而得 Vo=(1+Rf/R4)Vp (2)
(1)、(2)式合并
Vo=(1+Rf/R4)Vp=(1+Rf/R4) Vi/(R1/R3+2)+(1+Rf/R4)Vref/(R1/R3+2) =(1+Rf/R4) (Vi+Vref)/(R1/R3+2) (3)
先根据输入电压与输出电压要求,求算出电压放大系数A,确定出R4与Rf的数值,确定出2脚电压Vp,然后再根据3脚上连接的各电阻及各输入电压,求算出R1(R2)与R3的值。
例1:Vi=-5V~+5V,Vo=0~3.3V,
解:因为Vo=(1+Rf/R4)Vp,故放大倍数A=1+Rf/R4, 输入电压Vi范围为10V,输出Vo范围为3.3V,
特别注意此处的放大倍数A是Vo对Vp的放大倍数,而不是Vo对Vi的,且要注意Vp是加在同相输入端的信号电压的函数,而据公式Vo=(1+Rf/R4)Vp,放大倍数A=1+Rf/R4可以知道,同相端输入的电压的放大倍数永远大于1,
设放大倍数A=1.2,再设Rf=3K,则据式A=1+Rf/R4求得R4=15K。 先求Vo=3.3V时的Vp, 据式Vo=(1+Rf/R4)Vp, 可得此时Vp=Vo/A=3.3V/1.2=2.75V。 令R1=R2=30K, Vref=+5V, 此时Vi=+5V,
则相当于R1与R2并联接到+5V,其并联等效电阻为15K,则其电流为 i=(5-2.75)/15=2.25/15=0.15毫安,这也就是Vp经过R3到地的电流。
由此得到R3=Vp/i=2.75/0.15=18.3k。 例2:Vi=-11.3V~+11.3V,Vo=0~3.3V,
解:因为Vo=(1+Rf/R4)Vp,故放大倍数A=1+Rf/R4, 输入电压Vi范围为22.6V,输出Vo范围为3.3V,
特别注意此处的放大倍数A是Vo对Vp的放大倍数,而不是Vo对Vi的,且要注意Vp是加在同相输入端的信号电压的函数,而据公式Vo=(1+Rf/R4)Vp,放大倍数A=1+Rf/R4可以知道,同相端输入的电压的放大倍数永远大于1,
设放大倍数A=1.2,再设Rf=3K,则据式A=1+Rf/R4求得R4=15K。 先求Vo=3.3V时的Vp, 据式Vo=(1+Rf/R4)Vp, 可得此时Vp=Vo/A=3.3V/1.2=2.75V。
令R1=R2=30K, Vref=+11.3V, 此时Vi=+11.3V,
则相当于R1与R2并联接到+11.3V,其并联等效电阻为15K,则其电流为 i=(11.3-2.75)/15=8.55/15=0.57毫安,这也就是Vp经过R3到地的电流。 由此得到R3=Vp/i=2.75/0.57=4.82k。
如果将输入R1、R2电阻取为100K,则其并联值为50K,则其电流
i=(11.3-2.75)/50=8.55/50=0.171毫安,这也就是Vp经过R3到地的电流。 由此得到R3=Vp/i=2.75/0.171=16.1k。 以上方法可以用于任意的电压变换。
注意其中的电压放大倍数A取值为1.2-1.5之间较好。