電路延伸未來 （運算放大器）

1、電路延伸未來 （運算放大器）運算組成的五光十色，令人眼花瞭亂，是中學習的重點。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?！保Ｒ砀魑粡氖码娐钒逍蘩淼耐?，看完后有所斬獲。遍觀全部模擬技朮的書籍和課程，在介紹電路的時候，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最后同學往往得出這樣一個印象：記住公式就可以了!假如我們將電路稍 稍變換一下，他們就找不著北了!偶曾經(jīng)面試過起碼100個以上的大專以上學歷的電子專業(yè)應聘者，結果能將我

2、給出的運算放大器電路分析得一點不錯的沒有超過 10個人!其它專業(yè)畢業(yè)的更是可想而知了。今日，芯片級修理教各位攻無不克的兩招，這兩招在全部運放電路的教材里都寫得明了，就是“虛短”和“虛 斷”，不過要把它運用得出神入化，就要有較濃厚的功底了。虛短和虛斷的概念因為運放的放大倍數(shù)很大，普通通用型運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80db以上。 而運放的輸出電壓是有限的，普通在10v14v。因此運放的差模輸入電壓不足1mv，兩輸入端近似等 電位，相當于“短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越臨近相等?！疤摱獭笔侵冈诜治鲞\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

3、。明顯不能將兩輸入端真正短路。因為運放的差模輸入很大，普通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。故通?？砂堰\放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越臨近開路?！疤摂唷笔侵冈诜治?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。明顯不能將兩輸入端真正斷路。在分析運放電路工作原理時，首先請各位臨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 輸入臨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臨時不要理睬輸入偏置電流、共模抑制比、失調(diào)電壓等電路參數(shù)，這是 設計者

4、要考慮的事情。我們理解的就是抱負放大器(其實在修理中和大多數(shù)設計過程中，把實際放大器當做抱負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”，開頭“庖丁解?！绷恕D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(lián)的，流過一個串聯(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- = v+ = 0 c i1 = i2 d 求解上面的初

5、中代數(shù)方程得vout = (-r2/r1)*vi 這就是傳奇中的反向放大器的輸入輸出關系式了圖二中vi與v-虛短，則 vi = v- a 由于虛斷，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) b vi等于r2上的分壓， 即：vi = i*r2 c 由abc式得vout=vi*(r1+r2)/r2 這就是傳奇中的同向放大器的公式了。圖三中，由虛短知： v- = v+ = 0 a 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 + (v2 v-)/r2 = (vout v-)/

6、r3 b 代入a式，b式變?yōu)関1/r1 + v2/r2 = vout/r3 假如取r1=r2=r3，則上式變?yōu)関out=v1+v2，這就是傳奇中的反向加法器了。請看圖四。由于虛斷，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)/r2 a (vout v-)/r3 = v-/r4 b 由虛短知： v+ = v- c 假如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!圖五由虛斷知，通過r1的電流等

7、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 假如r1=r2， 則v+ = v2/2 c 假如r3=r4， 則v- = (vout + v1)/2 d 由虛短知 v+ = v- e 所以 vout=v2-v1 這就是傳奇中的減法器了。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

8、入電壓對時光的積分成正比,這就是傳奇中的積分電路了。若v1為恒定電壓u，則上式變換為vout = -u*t/(r1*c1) t 是時光，則vout輸出電壓是一條從0至負電源電壓按時光變幻的直線。圖七中由虛斷知，通過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。假如v1是一個驟然加入的直流電壓，則輸出vout對應一個方向與v1相反的脈沖。圖八.由虛短知 vx = v1 a vy = v2 b 由虛斷知，運放輸入端沒有電流流過，則r1、r2、r3可視為串聯(lián)，通過每一個電阻的電流是相同

9、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)/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)。這個電路就是傳奇中的差分放大電路了。分析一個大家接觸得較多的

10、電路。無數(shù)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)換成電壓后再送轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，圖九就是這樣一個典型電路。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/r5 a (v1-vx)/r2 = (vx-vout)/r4 b 由虛短知： vx = vy c 電流從020ma變幻，則v1 = v2 + (0.42) d 由cd式代入b式得(v2 + (0.42)-vy)/r2 = (vy-vout)/r4 e 假如r3=

11、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。電流可以轉(zhuǎn)換成電壓，電壓也可以轉(zhuǎn)換成電流。圖十就是這樣一個電路。上圖的負反饋沒有通過電阻直 接反饋，而是串聯(lián)了q1的放射結，大家可不要以為是一個就是了。只要是放大電路，虛短虛斷的邏輯仍然是符合的!由虛斷知，運放輸入端沒有電流流過，則(viv1)/r2=(v1v4)/r6a同理(v3v2)/r5=v2/r4b由虛短知v1=v2c假如r2=r6，r4=r5

12、，則由abc式得v3-v4=vi上式解釋r7兩端的電壓和輸入電壓vi相等，則通過r7的電流i=vi/r7，假如負載rl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引出三根材質(zhì)、線 徑、長度徹低相同的線，接法所示。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庇護作用，靜態(tài)分析時可不予理睬，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、

13、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，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、