幾種運(yùn)算放大器(比較器)及經(jīng)典電路的簡單分析

1、運(yùn)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(xué)習(xí)的重點(diǎn)。在分析它的工作原理時(shí)倘沒有抓住核心，往往令人頭大。為此本人特搜羅天下運(yùn)放電路之應(yīng)用，來個(gè)“庖丁解?！?，希望各位從事電路板維修的同行，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(yùn)算放大器電路的時(shí)候，無非是先給電路來個(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Vo=(1+Rf)Vi，那是一個(gè)反向放大器，然后得出Vo=-Rf*Vi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！偶曾經(jīng)面試過至少100個(gè)以上的大專以上學(xué)歷的電子專業(yè)應(yīng)聘者，結(jié)果能將

2、我給出的運(yùn)算放大器電路分析得一點(diǎn)不錯(cuò)的沒有超過10個(gè)人！其它專業(yè)畢業(yè)的更是可想而知了。 今天，芯片級維修教各位戰(zhàn)無不勝的兩招，這兩招在所有運(yùn)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(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)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 dB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在 10 V14 V。因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于 “短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。 “虛短”是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為

3、虛假短路，簡稱虛短。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 通常可把運(yùn)放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路?！疤摂唷笔侵冈诜治鲞\(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，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(yùn)放電路工作原理時(shí)，首先請各位暫時(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干擾你，讓你更糊涂也請各位暫時(shí)不要理會輸入偏置電流、共模抑制比、失調(diào)

4、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)過程中，把實(shí)際放大器當(dāng)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?！绷?。 (原文件名:1.jpg)引用圖片圖一運(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，幾乎沒有電流注入和流出，那么R1和R2相當(dāng)于是串聯(lián)的，流過一個(gè)串聯(lián)電路中的每一只組件的電流是相同的，即流過R1的電流和流過R2的電流是相同的。流過R1的電流I1 = (Vi - V-)/R1 a 流過R2的電流I2 = (V- - Vout)/R2 b V

5、- = V+ = 0 c I1 = I2 d 求解上面的初中代數(shù)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(guān)系式了。 (原文件名:2.jpg)引用圖片圖二中Vi與V-虛短，則 Vi = V- a 因?yàn)樘摂?，反向輸入端沒有電流輸入輸出，通過R1和R2 的電流相等，設(shè)此電流為I，由歐姆定律得： I = Vout/(R1+R2) b Vi等于R2上的分壓， 即：Vi = I*R2 c 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。 (原文件名:3.jpg)引用圖片圖三中，由虛短知： V- = V+ = 0 a 由虛斷及基爾霍夫

6、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 + (V2 V-)/R2 = (Vout V-)/R3 b 代入a式，b式變?yōu)閂1/R1 + V2/R2 = Vout/R3 如果取R1=R2=R3，則上式變?yōu)閂out=V1+V2，這就是傳說中的加法器了。 (原文件名:4.jpg)引用圖片請看圖四。因?yàn)樘摂?，運(yùn)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)/R2 a (Vout V-)/R3 = V-/R4 b 由虛短知： V+ = V- c 如果R1=R2，R3=R4，則由以上式子

7、可以推導(dǎo)出 V+ = (V1 + V2)/2 V- = Vout/2 故 Vout = V1 + V2 也是一個(gè)加法器，呵呵！ (原文件名:5.jpg)引用圖片圖五由虛斷知，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+/R2 a (V1 V-)/R4 = (V- - Vout)/R3 b 如果R1=R2， 則V+ = V2/2 c 如果R3=R4， 則V- = (Vout + V1)/2 d 由虛短知 V+ = V- e 所以 Vout=V2-V1 這就是傳說中的減法器了。 (原文件名:6.jpg)引用圖片圖六電路中，由虛短知，反向輸

8、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(shí)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(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。 (原文件名:7.jpg)引用圖片圖七中由虛斷知，通過電容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： Vout = -i * R2 = -(R2*C1

9、)dV1/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對應(yīng)一個(gè)方向與V1相反的脈沖。 (原文件名:8.jpg)引用圖片圖八.由虛短知Vx = V1 a Vy = V2 b 由虛斷知，運(yùn)放輸入端沒有電流流過，則R1、R2、R3可視為串聯(lián)，通過每一個(gè)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)/R2 d 由虛斷知，流過R6與流過R7的電流相等,若R6=R7， 則Vw = Vo2/2 e 同理若R4=R5，則Vout Vu = Vu Vo1，故Vu = (Vout+Vo1)/

10、2 f 由虛短知，Vu = Vw g 由efg得 Vout = Vo2 Vo1 h 由dh得 Vout = (Vy Vx)(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(shù)。這個(gè)電路就是傳說中的差分放大電路了。 (原文件名:9.jpg)引用圖片分析一個(gè)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(zhuǎn)換成電壓后再送ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，圖九就是這樣一個(gè)典型電路。如圖420mA電流流過采樣100電阻R1，在R1上會產(chǎn)生0.42V的電壓差。由虛斷知，運(yùn)放輸入端沒有電流流過，則流過R3和R5的電流相

11、等，流過R2和R4的電流相等。故： (V2-Vy)/R3 = Vy/R5 a (V1-Vx)/R2 = (Vx-Vout)/R4 b 由虛短知： Vx = Vy c 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)/R4 e 如果R3=R2，R4=R5，則由e-a得Vout = -(0.42)R4/R2 f 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(zhuǎn)換成了-0.88 -4.4V電壓，此電壓可以送ADC去處理。 (原文件名:10.jp

12、g)引用圖片電流可以轉(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)反饋沒有通過電阻直接反饋，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)放輸入端沒有電流流過， 則 (Vi V1)/R2 = (V1 V4)/R6 a 同理 (V3 V2)/R5 = V2/R4 b 由虛短知 V1 = V2 c 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(fù)載RL<<100K，則通過Rl和通過R7的電流基本相同。

13、(原文件名:11.jpg)引用圖片來一個(gè)復(fù)雜的，呵呵！圖十一是一個(gè)三線制PT100前置放大電路。PT100傳感器引出三根材質(zhì)、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、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(hù)作用，靜態(tài)分析時(shí)可不予理會，Z1、Z2、Z3可視為短路，D11、D12、D83及各電容可視為開路。由電阻分壓知， V3=2*R20/(R14+20)=200/1100=2/11 a 由虛短知，U8B第6、7腳 電壓和第5腳電壓相等 V4=V3 b 由虛斷知，U8A第2腳沒有電流流過，

14、則流過R18和R19上的電流相等。 (V2-V4)/R19=(V5-V2)/R18 c 由虛斷知，U8A第3腳沒有電流流過， V1=V7 d 在橋電路中R15和Z1、PT100及線電阻串聯(lián)，PT100與線電阻串聯(lián)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=V2 f 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) 200/11 g 上式輸出電壓V5

15、是Rx的函數(shù)我們再看線電阻的影響。Pt100最下端線電阻上產(chǎn)生的電壓降經(jīng)過中間的線電阻、Z2、R22，加至U8C的第10腳，由虛斷知， V5=V8=V9=2*R0/(R15+Rx+2R0) a (V6-V10)/R25=V10/R26 b 由虛短知， V10=V5 c 由式abc得 V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/2.2(1000+Rx+2R0) h 由式gh組成的方程組知，如果測出V5、V6的值，就可算出Rx及R0，知道Rx，查pt100分度表就知道溫度的大小了。LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓

16、范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；3）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。LM339集成塊采用C-14型封裝，圖1為外型及管腳排列圖。由于LM339使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大IC生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入

17、端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸

18、出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 單限比較器電路圖2a給出了一個(gè)基本單限比較器。輸入信號Uin，即待比較電壓，它加到同相輸入端，在反相輸入端接一個(gè)參考電壓（門限電平）Ur。當(dāng)輸入電壓Uin>Ur時(shí)，輸出為高電平UOH。圖2b為其傳輸特性。圖3為某儀器中過熱檢測保護(hù)電路。它用單電源供電，1/4LM339的反相輸入端加一個(gè)固定的參考電壓，它的值取決于R1于R2。UR=R2/（R1+R2）*UCC。同相端的電壓就等于熱敏元件Rt的電壓降。當(dāng)機(jī)內(nèi)溫度為設(shè)定值以下時(shí)，“+”端電壓大于“-”端電壓，Uo為高電位。當(dāng)

19、溫度上升為設(shè)定值以上時(shí)，“-”端電壓大于“+”端，比較器反轉(zhuǎn)，Uo輸出為零電位，使保護(hù)電路動(dòng)作，調(diào)節(jié)R1的值可以改變門限電壓，既設(shè)定溫度值的大小。 遲滯比較器遲滯比較器又可理解為加正反饋的單限比較器。前面介紹的單限比較器，如果輸入信號Uin在門限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就會產(chǎn)生相應(yīng)的抖動(dòng)（起伏）。在電路中引入正反饋可以克服這一缺點(diǎn)。圖4a給出了一個(gè)遲滯比較器，人們所熟悉的“史密特”電路即是有遲滯的比較器。圖4b為遲滯比較器的傳輸特性。不難看出，當(dāng)輸出狀態(tài)一旦轉(zhuǎn)換后，只要在跳變電壓值附近的干擾不超過U之值，輸出電壓的值就將是穩(wěn)定的。但隨之而來的是分辨率降低。因?yàn)閷t滯比較器來說，它不能分辨差別小于U的兩個(gè)輸入電壓值。遲滯比較器加有正反饋可以加快比較器的響應(yīng)速度，這是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。除此之外，由于遲滯比較器加的正反饋很強(qiáng)，遠(yuǎn)比電路中的寄生耦合強(qiáng)得多，故遲滯比較器還可免除由于電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩。如果需要將一個(gè)跳變點(diǎn)固定在某一個(gè)參考電壓值上，可在正反饋電路中接入一個(gè)非線性元件，如晶體二極管，利用二