經(jīng)典運(yùn)放電路分析

從虛斷，虛短分析基本運(yùn)放電路運(yùn)算放大器組成的電路五花八門(mén)，令人眼花瞭亂，是模擬電路中學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。在分析它的工作原理時(shí)倘沒(méi)有抓住核心，往往令人頭大。為此本人特搜羅天下運(yùn)放電路之應(yīng)用，來(lái)個(gè)“庖丁解?！?，希望各位看完后有所斬獲。遍觀所有模擬電子技朮的書(shū)籍和課程，在介紹運(yùn)算放大器電路的時(shí)候，無(wú)非是先給電路來(lái)個(gè)定性，比如這是一個(gè)同向放大器，然后去推導(dǎo)它的輸出與輸入的關(guān)系，然后得出VO1RFVI，那是一個(gè)反向放大器，然后得出VORFVI最后學(xué)生往往得出這樣一個(gè)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(wú)不勝的兩招，這兩招在所有運(yùn)放電路的教材里都寫(xiě)得明白，就是“虛短”和“虛斷”，不過(guò)要把它運(yùn)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(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80DB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在10V14V。因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1MV，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于“短路”。開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等?！疤摱獭笔侵冈诜治鲞\(yùn)算放大器處于線(xiàn)性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱(chēng)為虛假短路，簡(jiǎn)稱(chēng)虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。由于運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般通用型運(yùn)算放大器的輸入電阻都在1M以上。因此流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足1UA，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。故通?？砂堰\(yùn)放的兩輸入端視為開(kāi)路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開(kāi)路?！疤摂唷笔侵冈诜治鲞\(yùn)放處于線(xiàn)性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開(kāi)路，這一特性稱(chēng)為虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)稱(chēng)虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。在分析運(yùn)放電路工作原理時(shí)，首先請(qǐng)各位暫時(shí)忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、減法器，什么差動(dòng)輸入暫時(shí)忘掉那些輸入輸出關(guān)系的公式這些東東只會(huì)干擾你，讓你更糊涂也請(qǐng)各位暫時(shí)不要理會(huì)輸入偏置電流、共模抑制比、失調(diào)電壓等電路參數(shù)，這是設(shè)計(jì)者要考慮的事情。我們理解的就是理想放大器（其實(shí)在維修中和大多數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，把實(shí)際放大器當(dāng)做理想放大器來(lái)分析也不會(huì)有問(wèn)題）。好了，讓我們抓過(guò)兩把“板斧”“虛短”和“虛斷”，開(kāi)始“庖丁解?！绷?。1）反向放大器圖1圖一運(yùn)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(méi)有電流注入和流出，那么R1和R2相當(dāng)于是串聯(lián)的，流過(guò)一個(gè)串聯(lián)電路中的每一只組件的電流是相同的，即流過(guò)R1的電流和流過(guò)R2的電流是相同的。流過(guò)R1的電流I1VIV/R1A流過(guò)R2的電流I2VVOUT/R2BVV0CI1I2D求解上面的初中代數(shù)方程得VOUTR2/R1VI這就是傳說(shuō)中的反向放大器的輸入輸出關(guān)系式了。2）同向放大器圖2圖二中VI與V虛短，則VIVA因?yàn)樘摂?，反向輸入端沒(méi)有電流輸入輸出，通過(guò)R1和R2的電流相等，設(shè)此電流為I，由歐姆定律得IVOUT/R1R2BVI等于R2上的分壓，即VIIR2C由ABC式得VOUTVIR1R2/R2這就是傳說(shuō)中的同向放大器的公式了。3）加法器1圖3圖三中，由虛短知VV0A由虛斷及基爾霍夫定律知，通過(guò)R2與R1的電流之和等于通過(guò)R3的電流，故V1V/R1V2V/R2VVOUT/R3B代入A式，B式變?yōu)閂1/R1V2/R2VOUT/R3如果取R1R2R3，則上式變?yōu)閂OUTV1V2，這就是傳說(shuō)中的加法器了。4）加法器2圖4請(qǐng)看圖四。因?yàn)樘摂?，運(yùn)放同向端沒(méi)有電流流過(guò)，則流過(guò)R1和R2的電流相等，同理流過(guò)R4和R3的電流也相等。故V1V/R1VV2/R2AVOUTV/R3V/R4B由虛短知VVC如果R1R2，R3R4，則由以上式子可以推導(dǎo)出VV1V2/2VVOUT/2故VOUTV1V2也是一個(gè)加法器，呵呵5）減法器圖5圖五由虛斷知，通過(guò)R1的電流等于通過(guò)R2的電流，同理通過(guò)R4的電流等于R3的電流，故有V2V/R1V/R2AV1V/R4VVOUT/R3B如果R1R2，則VV2/2C如果R3R4，則VVOUTV1/2D由虛短知VVE所以VOUTV2V1這就是傳說(shuō)中的減法器了。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(guò)R1的電流與通過(guò)C1的電流相等。通過(guò)R1的電流IV1/R1通過(guò)C1的電流ICDUC/DTCDVOUT/DT所以VOUT1/R1C1V1DT輸出電壓與輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分成正比,這就是傳說(shuō)中的積分電路了。若V1為恒定電壓U，則上式變換為VOUTUT/R1C1T是時(shí)間，則VOUT輸出電壓是一條從0至負(fù)電源電壓按時(shí)間變化的直線(xiàn)。7）微分電路圖7圖七中由虛斷知，通過(guò)電容C1和電阻R2的電流是相等的，由虛短知，運(yùn)放同向端與反向端電壓是相等的。則VOUTIR2R2C1DV1/DT這是一個(gè)微分電路。如果V1是一個(gè)突然加入的直流電壓，則輸出VOUT對(duì)應(yīng)一個(gè)方向與V1相反的脈沖。8）差分放大電路圖8由虛短知VXV1AVYV2B由虛斷知，運(yùn)放輸入端沒(méi)有電流流過(guò)，則R1、R2、R3可視為串聯(lián)，通過(guò)每一個(gè)電阻的電流是相同的，電流IVXVY/R2C則VO1VO2IR1R2R3VXVYR1R2R3/R2D由虛斷知，流過(guò)R6與流過(guò)R7的電流相等,若R6R7，則VWVO2/2E同理若R4R5，則VOUTVUVUVO1，故VUVOUTVO1/2F由虛短知，VUVWG由EFG得VOUTVO2VO1H由DH得VOUTVYVXR1R2R3/R2上式中R1R2R3/R2是定值，此值確定了差值VYVX的放大倍數(shù)。這個(gè)電路就是傳說(shuō)中的差分放大電路了。9）電流檢測(cè)圖9分析一個(gè)大家接觸得較多的電路。很多控制器接受來(lái)自各種檢測(cè)儀表的020MA或420MA電流，電路將此電流轉(zhuǎn)換成電壓后再送ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，圖九就是這樣一個(gè)典型電路。如圖420MA電流流過(guò)采樣100電阻R1，在R1上會(huì)產(chǎn)生042V的電壓差。由虛斷知，運(yùn)放輸入端沒(méi)有電流流過(guò)，則流過(guò)R3和R5的電流相等，流過(guò)R2和R4的電流相等。故V2VY/R3VY/R5AV1VX/R2VXVOUT/R4B由虛短知VXVYC電流從020MA變化，則V1V2042D由CD式代入B式得V2042VY/R2VYVOUT/R4E如果R3R2，R4R5，則由EA得VOUT042R4/R2F圖九中R4/R222K/10K22，則F式VOUT08844V，即是說(shuō)，將420MA電流轉(zhuǎn)換成了08844V電壓，此電壓可以送ADC去處理。注若將圖九電流反接既得VOUT08844V，10）電壓電流轉(zhuǎn)換檢測(cè)圖10電流可以轉(zhuǎn)換成電壓，電壓也可以轉(zhuǎn)換成電流。圖十就是這樣一個(gè)電路。上圖的負(fù)反饋沒(méi)有通過(guò)電阻直接反饋，而是串聯(lián)了三極管Q1的發(fā)射結(jié)，大家可不要以為是一個(gè)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(yùn)放輸入端沒(méi)有電流流過(guò)，則VIV1/R2V1V4/R6A同理V3V2/R5V2/R4B由虛短知V1V2C如果R2R6，R4R5，則由ABC式得V3V4VI上式說(shuō)明R7兩端的電壓和