分享一篇模擬電路中學(xué)習(xí)的重點(diǎn)——運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器組成的電路五花八門(mén)，令人眼花繚亂。在分析它的工作原理時(shí)若沒(méi)有抓住核心，往往令人頭大。

遍觀所有模擬電子技朮的書(shū)籍和課程，在介紹運(yùn)算放大器電路的時(shí)候，無(wú)非是先給電路來(lái)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(guò)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)果能將我給出的運(yùn)算放大器電路分析得一點(diǎn)不錯(cuò)的沒(méi)有超過(guò) 10個(gè)人，其它專業(yè)畢業(yè)的更是可想而知了。

本文分享給大家戰(zhàn)無(wú)不勝的兩招，這兩招在所有運(yùn)放電路的教材里都寫(xiě)得明白，就是“虛短”和“虛斷”，不過(guò)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(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80dB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在 10 V～14 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(kāi)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，這一特性稱為虛假短路，簡(jiǎn)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1MΩ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?？砂堰\(yùn)放的兩輸入端視為開(kāi)路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開(kāi)路。

“虛斷”是指在分析運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開(kāi)路，這一特性 稱為虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)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(qǐng)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(huì)干擾你，讓你更糊涂；也請(qǐng)各位暫時(shí)不要理會(huì)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(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(guò)程中，把實(shí)際放大器當(dāng)做理想放大器來(lái)分析也不會(huì)有問(wèn)題）。

好了，讓我們抓過(guò)兩把“板斧”------“虛短”和“虛斷”，開(kāi)始“庖丁解牛”了。

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(méi)有電流注入和流出，那么R1和R2相當(dāng)于是串聯(lián)的，流過(guò)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(guò)R1的電流和流過(guò)R2的電流是相同的。

流過(guò)R1的電流I1 = （Vi - V-）/R1 ……a

流過(guò)R2的電流I2 = （V- - Vout）/R2 ……b

V- = 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(shuō)中的反向放大器的輸入輸出關(guān)系式了。

圖二中Vi與V-虛短，則 Vi = V- ……a

因?yàn)樘摂?，反向輸入端沒(méi)有電流輸入輸出，通過(guò)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(shuō)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(guò)R2與R1的電流之和等于通過(guò)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(shuō)中的加法器了。

（編輯者注）質(zhì)疑：（V1 – V-）/R1 + （V2 – V-）/R2 = （V- – Vout）/R3 ……b 圖三公式中少了個(gè)負(fù)號(hào)？

請(qǐng)看圖四。因?yàn)樘摂啵\(yùn)放同向端沒(méi)有電流流過(guò)，則流過(guò)R1和R2的電流相等，同理流過(guò)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！

圖五由虛斷知，通過(guò)R1的電流等于通過(guò)R2的電流，同理通過(guò)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(shuō)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(guò)R1的電流與通過(guò)C1的電流相等。

通過(guò)R1的電流 i=V1/R1

通過(guò)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(duì)時(shí)間的積分成正比，這就是傳說(shuō)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。

圖七中由虛斷知，通過(guò)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）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(duì)應(yīng)一個(gè)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(yùn)放輸入端沒(méi)有電流流過(guò)，則R1、R2、R3可視為串聯(lián)，通過(guò)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(guò)R6與流過(guò)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(huán)

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(shuō)中的差分放大電路了。

分析一個(gè)大家接觸得較多的電路。很多控制器接受來(lái)自各種檢測(cè)儀表的0~20mA或4~20mA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(hào)，圖九就是這樣一個(gè)典型電路。如圖4~20mA電流流過(guò)采樣100Ω電阻R1，在R1上會(huì)產(chǎn)生0.4~2V的電壓差。

由虛斷知，運(yùn)放輸入端沒(méi)有電流流過(guò)，則流過(guò)R3和R5的電流相等，流過(guò)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0~20mA變化，則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，則由e-a得Vout = -（0.4~2）R4/R2 ……f

圖九中R4/R2=22k/10k=2.2，則f式Vout = -（0.88~4.4）V，即是說(shuō)，將4~20mA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(gè)電路。上圖的負(fù)反饋沒(méi)有通過(guò)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(méi)有電流流過(guò)，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(shuō)明R7兩端的電壓和輸入電壓Vi相等，則通過(guò)R7的電流I=Vi/R7，如果負(fù)載RL《《100KΩ，則通過(guò)Rl和通過(guò)R7的電流基本相同。

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(zhǎng)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(huì)，Z1、Z2、Z3可視為短路，D11、D12、D83及各電容可視為開(kāi)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(méi)有電流流過(guò)，則流過(guò)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(méi)有電流流過(guò)， 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(guò)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(jiǎn)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?cè)倏淳€電阻的影響。

Pt100最下端線電阻上產(chǎn)生的電壓降經(jīng)過(guò)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(huán) 由式gh組成的方程組知，如果測(cè)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。

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編輯：jq