运算放大器电路分析详解.pdf

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1、-透解放大器透解放大器遍观所有模拟电子技朮的书籍和课程，在介绍运算放大器电路的时候，无非是先给电路来个定性，比方这是一个同向放大器，然后去推导它的输出与输入的关系，然后得出 Vo=(1+Rf)Vi，那是一个反向放大器，然后得出 Vo=-Rf*Vi最后学生往往得出这样一个印象：记住公式就可以了！如果我们将电路稍稍变换一下，他们就找不着北了！偶曾经面试过至少 100 个以上的大专以上学历的电子专业应聘者，结果能将我给出的运算放大器电路分析得一点不错的没有超过 10 个人！其它专业毕业的更是可想而知了。今天，芯片级维修教各位战无不胜的两招，这两招在所有运放电路的教材里都写得明白，就是“虚短和“虚断，

2、不过要把它运用得出神入化，就要有较深厚的功底了。虚短和虚断的概念由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在 80 dB 以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V14 V。因此运放的差模输入电压缺乏1 mV，两输入端近似等电位，相当于“短路。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。“虚短是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在 1M 以上。因此流入运放输入端的电流往往缺乏 1uA，远小于输入端外电路的电流。故 通

3、常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性 称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。在分析运放电路工作原理时，首先请各位暂时忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、减法器，什么差动输入暂时忘掉那些输入输出关系的公式这些东东只会干扰你，让你更糊涂也请各位暂时不要理会输入偏置电流、共模抑制比、失调电压等电路参数，这是设计者要考虑的事情。我们理解的就是理想放大器其实在维修中和大多数设计过程中，把实际放大器当做理想放大器来分析也不会有问题。好了，让我们抓过两把“板斧-“虚短和“虚断，开场“庖丁解

4、牛了。(原文件名:1.jpg)图一运放的同向端接地=0V，反向端和同向端虚短，所以也是 0V，反向输入端输入电阻很高，虚断，几乎没有电流注入和流出，则 R1 和 R2 相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是一样的，即流过 R1 的电流和流过 R2 的电流是一样的。流过 R1 的电流 I1=(Vi-V-)/R1 a 流过 R2 的电流 I2=(V-Vout)/R2 b V-=V+=0 c I1=I2 d 求解上面的初中代数方程得 Vout=(-R2/R1)*Vi 这就是传说中的反向放大器的输入输出关系式了。(原文件名:2.jpg)图二中 Vi 与 V-虚短，则 Vi=V-a 因为

5、虚断，反向输入端没有电流输入输出，通过 R1 和 R2 的电流相等，设此电流为I，由欧姆定律得：I=Vout/(R1+R2)b Vi 等于 R2 上的分压，即：Vi=I*R2 c 由 abc 式得 Vout=Vi*(R1+R2)/R2 这就是传说中的同向放大器的公式了。(原文件名:3.jpg)图三中，由虚短知：V-=V+=0 a 由虚断及基尔霍夫定律知，通过R2 与 R1 的电流之和等于通过R3的电流，故(V1 V-)/R1+(V2 V-)/R2=(Vout V-)/R3 b 代入a式，b式变为V1/R1+V2/R2=Vout/R3 如果取 R1=R2=R3，则上式变为 Vout=V1+V2，

6、这就是传说中的加法器了。(原文件名:4.jpg)请看图四。因为虚断，运放同向端没有电流流过，则流过R1 和 R2 的电流相等，同理流过 R4 和 R3 的电流也相等。故(V1 V+)/R1=(V+-V2)/R2 a(Vout V-)/R3=V-/R4 b 由虚短知：V+=V-c 如果 R1=R2，R3=R4，则由以上式子可以推导出 V+=(V1+V2)/2 V-=Vout/2 故 Vout=V1+V2 也是一个加法器，呵呵！.z.-(原文件名:5.jpg)图五由虚断知，通过 R1 的电流等于通过 R2 的电流，同理通过 R4 的电流等于 R3 的电流，故有(V2 V+)/R1=V+/R2 a(

7、V1 V-)/R4=(V-Vout)/R3 b 如果 R1=R2，则 V+=V2/2 c 如果 R3=R4，则 V-=(Vout+V1)/2 d 由虚短知 V+=V-e 所以 Vout=V2-V1 这就是传说中的减法器了。(原文件名:6.jpg)图六电路中，由虚短知，反向输入端的电压与同向端相等，由虚断知，通过 R1 的电流与通过 C1 的电流相等。通过R1的电流 i=V1/R1 通过C1的电流i=C*dUc/dt=-C*dVout/dt 所以 Vout=(-1/(R1*C1)V1dt 输出电压与输入电压对时间的积分成正比,这就是传说中的积分电路了。假设 V1 为恒定电压 U，则上式变换为 V

8、out=-U*t/(R1*C1)t 是时间，则 Vout 输出电压是一条从 0 至负电源电压按时间变化的直线。(原文件名:7.jpg)图七中由虚断知，通过电容 C1 和电阻 R2 的电流是相等的，由虚短知，运放同向端与反向端电压是相等的。则：Vout=-i*R2=-(R2*C1)dV1/dt 这是一个微分电路。如果V1 是一个突然参加的直流电压，则输出 Vout 对应一个方向与 V1 相反的脉冲。(原文件名:8.jpg)图八.由虚短知 V*=V1 a Vy=V2 b 由虚断知，运放输入端没有电流流过，则 R1、R2、R3 可视为串联，通过每一个电阻的电流是一样的，电流 I=(V*-Vy)/R2

9、 c 则：Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3)=(V*-Vy)(R1+R2+R3)/R2 d 由虚断知，流过 R6 与流过 R7 的电流相等,假设 R6=R7，则 Vw=Vo2/2 e 同理假设 R4=R5，则 Vout Vu=Vu Vo1，故 Vu=(Vout+Vo1)/2 f 由虚短知，Vu=Vw g 由 efg得 Vout=Vo2 Vo1 h 由 dh 得 Vout=(Vy V*)(R1+R2+R3)/R2 上式中(R1+R2+R3)/R2 是定值，此值确定了差值(Vy V*)的放大倍数。这个电路就是传说中的差分放大电路了。(原文件名:9.jpg)分析一个大家接触得较多的电路。很多控

10、制器承受来自各种检测仪表的 020mA 或 420mA 电流，电路将此电流转换成电压后再送 ADC 转换成数字信号，图九就是这样一个典型电路。如图 420mA 电流流过采样 100 电阻 R1，在 R1 上会产生 0.42V 的电压差。由虚断知，运放输入端没有电流流过，则流过 R3和R5的电流相等，流过R2和R4的电流相等。故：(V2-Vy)/R3=Vy/R5 a(V1-V*)/R2=(V*-Vout)/R4.z.-b 由虚短知：V*=Vy c 电流从 020mA 变化，则 V1=V2+(0.42)d 由 cd 式代入 b 式得(V2+(0.42)-Vy)/R2=(Vy-Vout)/R4 e

11、如果 R3=R2，R4=R5，则由e-a 得 Vout=-(0.42)R4/R2 f 图九中 R4/R2=22k/10k=2.2，则 f 式 Vout=-(0.884.4)V，即是说，将 420mA 电流转换成了-0.88 -4.4V 电压，此电压可以送 ADC 去处理。(原文件名:10.jpg)电流可以转换成电压，电压也可以转换成电流。图十就是这样一个电路。上图的负反应没有通过电阻直接反应，而是串联了三极管 Q1 的发射结，大家可不要以为是一个比拟器就是了。只要是放大电路，虚短虚断的规律仍然是符合的！由虚断知，运放输入端没有电流流过，则 (Vi V1)/R2=(V1 V4)/R6 a同理 (

12、V3 V2)/R5=V2/R4b由虚短知 V1=V2c如果 R2=R6，R4=R5，则由 abc 式得 V3-V4=Vi上式说明 R7 两端的电压和输入电压 Vi 相等，则通过 R7 的电流 I=Vi/R7，如果负载 RL100K，则通过 Rl 和通过 R7 的电流根本一样。(原文件名:11.jpg)来一个复杂的，呵呵！图十一是一个三线制PT100 前置放大电路。PT100 传感器引出三根材质、线径、长度完全一样的线，接法如下图。有 2V 的电压加在由 R14、R20、R15、Z1、PT100及其线电阻组成的桥电路上。Z1、Z2、Z3、D11、D12、D83 及各电容在电路中起滤波和保护作用，

13、静态分析时可不予理会，Z1、Z2、Z3 可视为短路，D11、D12、D83 及各电容可视为开路。由电阻分压知，V3=2*R20/(R14+20)=200/1100=2/11a 由虚短知，U8B 第 6、7脚 电压和第 5 脚电压相等 V4=V3 b 由虚断知，U8A 第 2 脚没有电流流过，则流过R18和 R19 上的电流相等。(V2-V4)/R19=(V5-V2)/R18c 由虚断知，U8A 第 3 脚没有电流流过，V1=V7 d 在桥电路中 R15 和 Z1、PT100 及线电阻串联，PT100 与线电阻串联分得的电压通过电阻 R17 加至 U8A 的第 3 脚，V7=2*(R*+2R0)

14、/(R15+R*+2R0).e 由虚短知，U8A 第 3 脚和第 2 脚电压相等，V1=V2 f 由 abcdef 得，(V5-V7)/100=(V7-V3)/2.2化简.z.-得 V5=(102.2*V7-100V3)/2.2即 V5=204.4(R*+2R0)/(1000+R*+2R0)200/11 g 上式输出电压 V5 是 R*的函数我们再看线电阻的影响。Pt100 最下端线电阻上产生的电压降经过中间的线电阻、Z2、R22，加至 U8C 的第 10 脚，由虚断知，V5=V8=V9=2*R0/(R15+R*+2R0)a(V6-V10)/R25=V10/R26b 由虚短知，V10=V5 c 由式 abc 得 V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/2.2(1000+R*+2R0)h 由式 gh组成的方程组知，如果测出V5、V6 的值，就可算出 R*及 R0，知道 R*，查 pt100 分度表就知道温度的大小了。.z.