0001_经典运放电路分析

0001_经典运放电路分析 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 0001_经典运放电路分析 电子 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 基础训练阅读材料 电子科技大学创新基地教练组 杨忠孝收集整理 经典运放电路分析 ——从虚断，虚短分析基本运放电路 电流虚断 电压虚短 运算放大器组成的电路五花八门，令人眼花瞭乱，是模拟电路中学习的重点。在分析它的工作原理时倘若没有抓住核心，往往令人头大。本文搜罗了几种典型的运放电路，来个“庖丁解牛”，希望各位看完后有所斩获。 遍观所有模拟电子技术的书籍和课程，在介绍运算放大器电路的时候，无非是先给电路来个定性，比如这是一个同相放大器，然后去推导它的输出与输入的关系，然后得出V0?(1?Rf)Vi。那是一个反相放大器，然后得出V0??RfVi„„。 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～ 今天，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”，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80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V,14V。因此运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，即相当于“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1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1μA，远小于输入端外电路的电流。故通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相放大、反相放大，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 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 )。 好了，让我们抓过两把“板斧”——“虚短”和“虚断”，开始“庖丁解牛”了。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电子设计基础训练阅读材料 电子科技大学创新基地教练组 杨忠孝收集整理 1)反相放大器 如图1所示，运放的同相端接地为0V，反相端和同相端虚短，所以也应该是0V，反相输入端输入电阻很高，虚断，几乎没有电流注入和流出运放的反相端，那么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相同的，即流过R1的电流和流过R2的电流是相同的。 流过R1的电流:I1?(Vi?V?)/R1 (a) 流过R2的电流:I2?(V??Vout)/R2 (b) V??V? (c) I1?I2 (d) 联立求解上面的代数方程得:Vout?(?R2/R1)Vi。这就是传说中的反相放大器的输入输出关系式了。 图1 反相放大器电路 图2 同相放大器电路 2)同相放大器 如图2所示电路中，Vi与V?虚短，则Vi?V? (a) 因为虚断，反相输入端没有电流流入、流出，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(a)、(b)、(c)式得:Vout?Vi?(R1?R2)/R2，这就是传说中的—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 同相放大器的计算公式了。 3)加法器1 电子设计基础训练阅读材料 电子科技大学创新基地教练组 杨忠孝收集整理 如图3所示电路中，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?(V??Vout)/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，这就是传说中的加法器了。 图3 加法器电路之一 图4 加法器电路之二 4)加法器 请看图4所示电路。因为虚断，运放同相端没有电流流入(流出)，则流过R1和R2的电流相等，同理，流过R4和R3的电流也相等。 即:(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，结果也是一个加法器～ 5)减法器 如图5所示，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) (V1?V?)/R4?(V??Vout)/R3 (b) 电子设计基础训练阅读材料 电子科技大学创新基地教练组 杨忠孝收集整理 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。这个结果就是传说中的减法器了。 图5 减法器电路 图6 积分电路图 6)积分电路 图6所示电路，由虚短知，反相输入端的电压与同相端相等，由虚断知，流过R1的电流与流过C1的电流相等。 流过R1的电流:iR1=V1/R1，流过C1的电流: iC1=C*duc/dt=-C*dVout/dt。 所以，Vout?? 积分电路了。 若V1为恒定电压U，则上式变换为Vout?? 电压值按时间变化的直线。 1V1dt，此式 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明: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?R1C1Ut，t是时间，则，输出电压Vout是一条从0至负电源R1C1 7)微分电路: 如图7所示电路图中由虚断知，通过电容C1和电阻R2的电流是—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 相等的，由虚短知，运放同相端与反相端电压是相等的。 则: Vout?iR2??R2C1 路。 如果V1是一个突然加入的直流电压，则输出Vout对应一个方向 与V1的变化方向相反的脉冲。 dV1。表明输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比，这就 是一个微分电dt 电子设计基础训练阅读材料 电子科技大学创新基地教练组 杨忠孝收集整理 图7 微分电路图 图8 差分放大电路 8)差分放大电路 如图8所示电路，由虚短知:Vx=V1 (a) Vy=V2 (b) 运放输入端没有电流流过，由虚断知，则R1、R2、R3可视为串 联，通过每一个电阻的电流是相同的电流，即:I=(Vx-Vy)/R2 (c) 则:Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3)=(R1+R2+R3)(Vx-Vy)/R2 (d) 由虚断知，流过R6与流过R7的电流相等，若R6=R7，则Vw=Vo2/2 (e) 同理若R4=R5，则Vout–Vu=Vu–Vo1，故Vu=(Vout+Vo1)/2 (f) —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 由虚短知，Vu=Vw (g) 由(e)、(f)、(g)得Vout=Vo2–Vo1 (h) 由(d)、(h)得Vout=(R1+R2+R3)(Vy–Vx)/R2上式中(R1+R2+R3) /R2是定值，此值确定了差值(Vy–Vx)的放大倍数。 这个电路就是传说中的差分放大电路了。 9)电流检测 分析一个大家接触得较多的电路。很多控制器接受来自各种检测 仪表的0,20mA或4,20mA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9所示电路就是这样一个典型电路。假设4, 20mA电流流过采样电阻R1(100Ω)，在R1上会产生0.4,2V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-Vx)/R2=(Vx-Vout)/R4 (b) 电子设计基础训练阅读材料 电子科技大学创新基地教练组 杨忠孝收集整理 由虚短知:Vx=Vy (c) 电流从4,20mA变化，则V1=V2+(0.4,2) (d) 由(c)、(d)式代入(b)式得:[V2+(0.4,2)-Vy]/R2=(Vy-Vout) —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ /R4 (e) 如果R3=R2，R4=R5，则由(e)-(a)得:Vout=-(0.4,2)R4/R2 (f) 图9中R4/R2=22k/10k=2.2，则(f)式:Vout=-(0.88,4.4)V，即是说，将4,20mA电流转换成了-0.88,-4.4V电压，此电压可以送ADC去处理。 注:若将图9电流反接即得:Vout=+(0.88,4.4)V。 图9 电流检测电路 10)电压电流转换检测 图10 电压电流转换检测电路 电子设计基础训练阅读材料 电子科技大学创新基地教练组 杨忠孝收集整理 电流可以转换成电压，电压也可以转换成电流。图10所示就是这样一个电路。上图的负反馈没有通过电阻直接反馈，而是串联了三极管Q1的发射结，大家可不要以为是一个比较器就是了。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:(V3–V2)/R5=V2/R4 (b) 由虚短知:V1=V2 (c) 如果R2=R6，R4=R5，则由(a)、(b)、(c)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RL<<100Ω，则通过Rl和通过R7的电流基本相同。 11)传感器检测 图11 传感器电路 来一个复杂的应用电路，呵呵～ 图11所示，是一个三线制温度传感器PT100前置放大电路。PT100传感器引出三根材质、线径、长度完全相同的线，接法如图所示。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，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=2/11 (a) 由虚短知，U8B第6、7脚电压与第5脚电压相等V4=V3 (b) 电子设计基础训练阅读材料 电子科技大学创新基地教练组 杨忠孝收集整理 由虚断知，U8A第2脚没有电流流过，则流过R18和R19上的电流相等可推得:(V2-V4)/R19=(V5-V2)/R18 (c) 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*(Rx+2R0)/(R15+Rx+2R0) (e) —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 由虚短知，U8A第3脚和第2脚电压相等，V1=V2 (f) 由(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)得，(V5-V7)/100=(V7-V3)/2.2。化简得V5=(102.2*V7-100V3)/2.2，即:V5=204.4(Rx+2R0)/(1000+Rx+2R0)–200/11 (g) 上式输出电压V5是Rx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+Rx+2R0) (g1) (V6-V10)/R25=V10/R26 (g2) 由虚短知，V10=V5 (g3) 由式(g1)、(g2)、(g3)得:V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/[2.2(1000+Rx+2R0)] (h) 由式(g)、(h)组成的方程组知，如果测出V5、V6的值，就可算出Rx及R0，知道Rx，查pt100分度表就知道温度的大小了。 ——————————————————————————————————————