經典運放電路分析(經典)

1、.從虛斷，虛短分析基本運放電路運算放大器組成的電路五花八門 ，令人眼花瞭亂 ，是模擬電路中學習的重點。在分析它的工作原理時倘沒有抓住核心 ，往往令人頭大 。為此本人特搜羅天下運放電路之應用 ，來個 “庖丁解牛 ”，希望各位看完后有所斬獲 。遍觀所有模擬電子技朮的書籍和課程 ，在介紹運算放大器電路的時候 ，無非是先給電路來個定性 ，比如這是一個同向放大器 ，然后去推導它的輸出與輸入的關系 ，然后得出 Vo=(1+Rf)Vi ，那是一個反向放大器 ，然后得出Vo=- Rf*Vi 最后學生往往得出這樣一個印象 ：記住公式就可以了 ！如果我們將電路稍稍變換一下 ，他們就找不著北了 ！今天，教各位戰(zhàn)無不

2、勝的兩招 ，這兩招在所有運放電路的教材里都寫得明白，就是 “虛短 ”和“虛斷 ”，不過要把它運用得出神入化 ，就要有較深厚的功底了。虛短和虛斷的概念由于運放的電壓放大倍數很大，一般通用型運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數都在 80 dB 以上 。而運放的輸出電壓是有限的 ，一般在 10 V14 V。因此運放的差模輸入電壓不足 1 mV ，兩輸入端近似等電位 ，相當于 “短路 ”。開環(huán)電壓放大倍數越大 ，兩輸入端的電位越接近相等 ?！疤摱?”是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時 ，可把兩輸入端視為等電位 ，這一特性稱為虛假短路 ，簡稱虛短 。顯然不能將兩輸入端真正短路 。由于運放的差模輸入電阻也很大，一

3、般通用型運算放大器的輸入電阻都在 1M 以上 。因此流入運放輸入端的電流往往不足 1uA ，遠小于輸入端外電路的電流。故 通?？砂堰\放的兩輸入端視為開路 ，且輸入電阻越大 ，兩輸入端.下載可編輯 .越接近開路 ?！疤摂?”是指在分析運放處于線性狀態(tài)時 ，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性 稱為虛假開路 ，簡稱虛斷 。顯然不能將兩輸入端真正斷路。在分析運放電路工作原理時 ，首先請各位暫時忘掉什么同向放大 、反向放大，什么加法器 、減法器 ，什么差動輸入 暫時忘掉那些輸入輸出關系的公式 這些東東只會干擾你 ，讓你更糊涂也請各位暫時不要理會輸入偏置電流、共模抑制比 、失調電壓等電路參數 ，這是設計

4、者要考慮的事情 。我們理解的就是理想放大器 （其實在維修中和大多數設計過程中 ，把實際放大器當做理想放大器來分析也不會有問題 ）。好了，讓我們抓過兩把 “板斧 ”- “虛短 ”和“虛斷 ”，開始 “庖丁解牛 ”了。1 ）反向放大器 ：圖 1圖一運放的同向端接地 =0V ，反向端和同向端虛短 ，所以也是 0V，反向輸入端輸入電阻很高 ，虛斷，幾乎沒有電流注入和流出 ，那么 R1 和 R2 相當于是串聯的，流過一個串聯電路中的每一只組件的電流是相同的 ，即流過 R1 的電流和流.下載可編輯 .過 R2 的電流是相同的 。流過 R1 的電流 ：I1 = (Vi - V-)/R1a流過 R2 的電流

5、：I2 = (V- -Vout)/R2bV- = V+ = 0cI1 = I2d求解上面的初中代數方程得Vout = (-R2/R1)*Vi這就是傳說中的反向放大器的輸入輸出關系式了。2 ）同向放大器 ：圖 2圖二中 Vi 與 V- 虛短，則 Vi = V-a因為虛斷 ，反向輸入端沒有電流輸入輸出，通過 R1 和 R2 的電流相等 ，設此電流為 I，由歐姆定律得 ： I = Vout/(R1+R2)bVi 等于 R2 上的分壓 ， 即： Vi = I*R2c由 abc 式得 Vout=Vi*(R1+R2)/R2這就是傳說中的同向放大器的公式了。.下載可編輯 .3）加法器 1：圖 3圖三中，由虛

6、短知： V- = V+ = 0a由虛斷及基爾霍夫定律知，通過 R2 與 R1 的電流之和等于通過R3 的電流，故(V1 V-)/R1 + (V2V-)/R2 = (V-Vout )/R3b代入 a 式，b 式變?yōu)?V1/R1 + V2/R2 = Vout/R3如果取 R1=R2=R3 ，則上式變?yōu)?Vout=V1+V2，這就是傳說中的加法器了。.下載可編輯 .4）加法器 2：圖 4請看圖四 。因為虛斷 ，運放同向端沒有電流流過 ，則流過 R1 和 R2 的電流相等，同理流過 R4 和 R3 的電流也相等 。故 (V1 V+)/R1 = (V+ -V2)/R2a(Vout V-)/R3 = V-

7、/R4b由虛短知 ： V+ = V-c如果 R1=R2，R3=R4，則由以上式子可以推導出 V+ = (V1 + V2)/2 V- = Vout/2故 Vout = V1 + V2也是一個加法器 ，呵呵！.下載可編輯 .5 ）減法器圖 5圖五由虛斷知 ，通過 R1 的電流等于通過R2 的電流，同理通過 R4 的電流等于R3 的電流，故有 (V2 V+)/R1 = V+/R2a(V1 V-)/R4 = (V- -Vout)/R3b如果 R1=R2 ， 則 V+ = V2/2c如果 R3=R4 ， 則 V- = (Vout + V1)/2d由虛短知V+ = V-e所以 Vout=V2-V1這就是傳

8、說中的減法器了。.下載可編輯 .6）積分電路 ：圖 6圖六電路中 ，由虛短知 ，反向輸入端的電壓與同向端相等 ，由虛斷知 ，通過 R1 的電流與通過 C1 的電流相等 。通過 R1 的電流 i=V1/R1通過 C1 的電流 i=C*dUc/dt=-C*dVout/dt所以 Vout=(- 1/(R1*C1) V1dt輸出電壓與輸入電壓對時間的積分成正比,這就是傳說中的積分電路了。若 V1 為恒定電壓 U，則上式變換為 Vout = -U*t/(R1*C1) t是時間，則 Vout輸出電壓是一條從0 至負電源電壓按時間變化的直線。.下載可編輯 .7）微分電路 ：圖 7圖七中由虛斷知 ，通過電容

9、C1 和電阻 R2 的電流是相等的 ，由虛短知 ，運放同向端與反向端電壓是相等的。則： Vout = -i * R2 = -(R2*C1)dV1/dt這是一個微分電路 。如果 V1 是一個突然加入的直流電壓，則輸出 Vout 對應一個方向與V1 相反的脈沖。.下載可編輯 .8 ）差分放大電路圖 8由虛短知Vx = V1aVy = V2b由虛斷知 ，運放輸入端沒有電流流過 ，則 R1、R2、R3 可視為串聯 ，通過每一個電阻的電流是相同的 ， 電流 I=(Vx- Vy)/R2 c則： Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3) = (Vx-Vy)(R1+R2+R3)/R2d由虛斷知 ，流過 R6

10、與流過 R7 的電流相等 ,若 R6=R7 ， 則 Vw = Vo2/2e同理若 R4=R5，則 Vout Vu = VuVo1 ，故 Vu = (Vout+Vo1)/2f由虛短知 ，Vu = Vwg由 efg 得 Vout = Vo2Vo1h由 dh 得 Vout = (VyVx)(R1+R2+R3)/R2上式中 (R1+R2+R3)/R2 是定值，此值確定了差值 (Vy Vx)的放大倍數 。.下載可編輯 .這個電路就是傳說中的差分放大電路了。9）電流檢測 ：圖 9分析一個大家接觸得較多的電路 。很多控制器接受來自各種檢測儀表的 020mA 或 420mA 電流，電路將此電流轉換成電壓后再送

11、 ADC 轉換成數字信號，圖九就是這樣一個典型電路 。如圖 420mA 電流流過采樣 100 電阻R1，在 R1 上會產生 0.42V 的電壓差 。由虛斷知 ，運放輸入端沒有電流流過 ，則流過 R3 和 R5 的電流相等 ，流過 R2 和 R4 的電流相等 。故：(V2- Vy)/R3 = Vy/R5a(V1-Vx)/R2 = (Vx- Vout)/R4b由虛短知 ： Vx = Vyc.下載可編輯 .電流從 020mA 變化，則 V1 = V2 + (0.42)d由 cd 式代入 b 式得 (V2 + (0.42)-Vy)/R2 = (Vy-Vout)/R4e如果 R3=R2，R4=R5 ，則

12、由 e-a 得 Vout = - (0.42)R4/R2f圖九中 R4/R2=22k/10k=2.2，則 f 式 Vout = -(0.884.4)V，即是說，將 420mA 電流轉換成了 -0.88 -4.4V電壓，此電壓可以送ADC 去處理。注：若將圖九電流反接既得Vout = +(0.884.4)V，.下載可編輯 .10 ）電壓電流轉換檢測 ：圖 10電流可以轉換成電壓 ，電壓也可以轉換成電流 。圖十就是這樣一個電路 。上圖的負反饋沒有通過電阻直接反饋 ，而是串聯了三極管 Q1 的發(fā)射結 ，大家可不要以為是一個比較器就是了 。只要是放大電路 ，虛短虛斷的規(guī)律仍然是符合的！由虛斷知 ，運放

13、輸入端沒有電流流過，則(Vi V1)/R2 = (V1V4)/R6a同理(V3 V2)/R5 = V2/R4b.下載可編輯 .由虛短知V1 = V2c如果 R2=R6，R4=R5 ，則由 abc 式得 V3-V4=Vi上式說明 R7 兩端的電壓和輸入電壓Vi 相等，則通過 R7 的電流 I=Vi/R7 ，如果負載 RL100K， 則通過 Rl 和通過 R7 的電流基本相同 。11 ）傳感器檢測 ：圖 11來一個復雜的 ，呵呵！圖十一是一個三線制 PT100 前置放大電路 。PT100傳感器引出三根材質 、線徑、長度完全相同的線 ，接法如圖所示 。有 2V 的電壓加在由 R14、R20、R15、

14、 Z1、 PT100 及其線電阻組成的橋電路上 。 Z1 、Z2、 Z3、D11 、D12、 D83 及各電容在電路中起濾波和保護作用 ，靜態(tài)分析時可不予理會 ，Z1、Z2、Z3 可視為短路 ，D11 、D12 、D83 及各電容可視為開.下載可編輯 .路。由電阻分壓知 ， V3=2* R20/(R14+20)=200/1100=2/11a由虛短知 ，U8B 第 6、7 腳 電壓和第 5 腳電壓相等V4=V3b由虛斷知 ，U8A 第 2 腳沒有電流流過 ，則流過R18 和 R19 上的電流相等 。(V2-V4)/R19=(V5- V2)/R18c由虛斷知 ，U8A 第 3 腳沒有電流流過 ， V1=V7d 在橋電路中 R15 和 Z1、PT100 及線電阻串聯 ，PT100 與線電阻串聯分得的電壓通過電阻R17 加至 U8A的第 3 腳， V7=2*(Rx+2R0)/(R15+Rx+2R0).e由虛短知 ，U8A 第 3 腳和第 2 腳電壓相等 ， V1=V2f由 abcdef 得， (V5-V7)/100=(V7-V3)/2.2 化簡得 V5=(102.2*V7-100V3)/2.2即 V5=204.4(Rx+2R0)/(1000+Rx+2R0)200/11g上式輸出電壓 V5 是 Rx 的函數我們再看線電阻的影響 。Pt100 最下端線電阻上產生的電壓降經