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运算放大器11种经典电路详解
阅读: 9650 |  回复: 33 楼层直达

2016/03/26 13:55:19
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黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长

QQ截图20160321155901  【有奖DIY】工程师本色上演 设计征集活动

QQ截图20160321155901 日本之旅(一)回忆感超强的历史,充满期待的未来 你要不要也来看看




学电源和单片机的人,不会对运放陌生,但是真正理解掌握运用好运放的牛人,想必也是少数,大多数工程师对运放的分析还是停留在一知半解上,要么就是套用经典电路依葫芦画瓢,下面将介绍11个经典的运放电路,互通互比较,对深入理解很有帮助。


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”,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。

标签 MCU

电源网-天边在2016-04-05打赏该贴 +8 电源币 打赏理由:好贴 必须奖励

电流模式PWM控制器8-SOIC 0至70 IO-Link数字输入集线器参考设计 面向 1000mA 空间受限类应用的同步降压稳压器
0至70的双路低功耗轨到轨输入/输出运算放大器 USB Type-C及PD多端口适配器参考设计 具有40μA静态电流的 2A SIMPLE SWITCHER®、降压稳压器
四线双线至1线数据选择器/多路复用器 支持音频和充电功能的USB Type-C和供电迷你坞 高速、4A、600V 高侧/低侧栅极驱动器
2016/03/26 13:56:04
2
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长


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。

2016/03/29 16:39:13
3
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长

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。

2016/03/29 16:44:47
4
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长

继续

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,这就是传说中的加法器了。

2016/03/29 16:57:39
5
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长

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

2016/03/29 22:47:08
6
梁宇
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
很通俗易懂,赞一个!
2016/03/30 13:42:43
7
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长

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。

2016/03/30 17:11:27
8
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长

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。

2016/03/30 17:31:38
9
majianhai
电源币:2 | 积分:0 主题帖:24 | 回复帖:152
LV6
团长
学习了
2016/03/30 19:57:33
10
hmy123456
电源币:6 | 积分:0 主题帖:8 | 回复帖:136
LV5
营长
楼主讲得简明扼要,希望继续介绍
2016/03/31 15:11:18
11
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长

还有几个,继续

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。

2016/03/31 16:05:28
12
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长

图八.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。

2016/03/31 16:21:29
13
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长

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。

2016/04/01 13:01:44
14
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长

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。

2016/04/01 14:07:34
15
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长


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。

2016/04/02 21:28:33
16
流淌的歌声1104
电源币:52 | 积分:0 主题帖:2 | 回复帖:62
LV4
连长
基础知识没学好,俺是来补课的l楼主的介绍简单明了,请继续,加油
2016/04/05 16:30:54
17
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长
结束了哦,一共就11个经典放大器电路,能吃透的话,什么复杂的运放电路都是小case,加油
2016/04/12 10:49:13
21
于豆豆
电源币:286 | 积分:0 主题帖:7 | 回复帖:34
LV4
连长
学习啦
2016/07/16 00:16:13
30
wyl_66
电源币:1 | 积分:3 主题帖:1 | 回复帖:11
LV2
班长
很好的讲解,辛苦了。
2016/04/07 13:38:38
18
kkwd
电源币:3 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:6
LV1
士兵

恶补一下,多谢

2016/04/12 23:30:58
23
wsyy1998
电源币:9 | 积分:4 主题帖:10 | 回复帖:26
LV4
连长
简单明了,回顾学习!!!感谢
2016/11/29 16:07:34
31
chen_hong
电源币:17 | 积分:3 主题帖:4 | 回复帖:14
LV3
排长

这个电路和13楼的有区别?可以用13楼的这个计算方式吗?如果可以的话,请把计算过程写上。非常感谢!

2016/04/24 20:50:20
24
邹世波
电源币:1 | 积分:0 主题帖:7 | 回复帖:8
LV2
班长
这个有点没有搞懂,为什么 是Vout-V-,而前几个是V- 一Vout,有什么说明吗,新人求罩
2016/04/26 16:35:01
25
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长
哪个图
2016/05/10 21:54:13
28
南山居士
电源币:0 | 积分:0 主题帖:19 | 回复帖:149
LV5
营长

同感。

4贴中加法器,为何输出是正电压?从I3流向看,应该输出为负呀?

2017/04/26 22:18:23
33
liu156662
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
 (V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (V- – Vout)/R3 
2017/09/04 23:07:11
34
AQ123456789
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
继续 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 .. 应该为=-(VOUT-V-)/R3
2016/04/07 16:02:59
19
小跃同学
电源币:53 | 积分:0 主题帖:4 | 回复帖:18
LV3
排长
收藏收藏!
2016/04/08 17:17:00
20
szg001
电源币:115 | 积分:0 主题帖:3 | 回复帖:123
LV5
营长

讲解得很好,赞一个,

2016/04/12 16:25:08
22
zhenxiang
电源币:1199 | 积分:17 主题帖:163 | 回复帖:1529
LV10
司令
早些时候在其它地方看到过跟你这个一样一样的文章。那也是你写的吗
2016/04/26 16:35:38
26
黑夜公爵[版主]
电源币:586 | 积分:10 主题帖:138 | 回复帖:636
LV9
军长
2016/04/30 14:31:00
27
心如刀割
电源币:1939 | 积分:17 主题帖:53 | 回复帖:801
LV9
军长

辛苦了。

2016/05/16 21:05:51
29
av-rgb
电源币:33 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:245
LV5
营长
“虚短”和“虚断”,两个概念太好了,对于电路理解。
2016/12/01 09:47:39
32
ruohan
电源币:3 | 积分:9 主题帖:44 | 回复帖:1013
LV9
军长
这种文氏桥震荡,能出正弦波吗,,2SK30A用N沟道的可以吗,,我现在搭了个线路,怎么不起振啊,我用的是LM358运放,去掉下面部分后,把R3对地后出来的是个方波,,,,
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