首页资源分类IC设计及制造 > 经典运放电路分析

经典运放电路分析

已有 445117个资源

下载专区

上传者其他资源

    文档信息举报收藏

    标    签:运放

    分    享:

    文档简介

    经典运放电路分析,可以研究

    文档预览

    从虚断,虚短分析基本运放电路 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没有抓住核心,往往令人头大。为此本人特搜罗 天下运放电路之应用,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,比如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! 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 80 dB 以上。而运放的输出电压是有限的,一般在 10 V~14 V。因此运 放的差模输入电压不足 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 1MΩ 以上。因此流入运放输入端的电流往往不足 1uA,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”,开始“庖 丁解牛”了。 1)反向放大器: 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,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+ = 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。 2)同向放大器: 图2 图二中 Vi 与 V-虚短,则 Vi = V- „„a 因为虚断,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。 3)加法器 1: 图3 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 = (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。 4)加法器 2: 图4 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! 5)减法器 图5 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 (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。 6)积分电路: 图6 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。 若 V1 为恒定电压 U,则上式变换为 Vout = -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。 7)微分电路: 图7 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 是一个突然加入的直流电压,则输出 Vout 对应一个方向与 V1 相反的脉 冲。 8)差分放大电路 图8 由虚短知 Vx = 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 电阻的电流是相同的, 电流 I=(Vx-Vy)/R2 „„c 则: Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3) = (Vx-Vy)(R1+R2+R3)/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 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 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: 图9 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,图九就是这样一个典型电路。如图 4~20mA 电流流过采样 100Ω 电阻 R1,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 由虚短知: Vx = Vy „„c 电流从 0~20mA 变化,则 V1 = V2 + (0.4~2) „„d 由 cd 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 图九中 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:若将图九电流反接既得 Vout = +(0.88~4.4)V, 10)电压电流转换检测: 图 10 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 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 RL<<100KΩ ,则通过 Rl 和通过 R7 的电流基本相同。 11)传感器检测: 图 11 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)/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 abcdef 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) „„a (V6-V10)/R25=V10/R26 „„b 由虚短知, V10=V5 „„c 由式 abc 得 V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/[2.2(1000+Rx+2R0)] „„h 由式 gh 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。

    Top_arrow
    回到顶部
    EEWORLD下载中心所有资源均来自网友分享,如有侵权,请发送举报邮件到客服邮箱bbs_service@eeworld.com.cn 或通过站内短信息或QQ:273568022联系管理员 高进,我们会尽快处理。