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功放电路图原理讲解

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。

运算放大器(简称“运放”是具有很大倍数的电路单元。在实际电路中,通常结合反馈络共同组成某种能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数算的结果。由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数算,故得名“运算放大器”。运放是一个从能的角度命名的电路单元,可以由分立的器件实现,也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展,大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多,广泛应用于电子行业当中。

遍观所有模拟电子技朮的书籍和课程,在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= ,那是一个反向放大器,然后得出=-*……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以上。而运放的输出电压是有限的,一般在~。因此运放的差模输入电压不足,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Ω以上。因此流入运放输入端的电流往往不足,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同向放大、反向放大,加法器、减法器,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。

反向放大器

运算放大器基本电路大全,运用虚短虚断来分析各个电路就太容易了

图一运放的同向端接地=,反向端和同向端虚短,所以也是,反向输入端输入电阻很高,虚断,几乎没有电流注入和流出,那么和相当于是串联的,流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的,即流过的电流和流过的电流是相同的。

流过的电流:=/………

流过的电流:=/……

-= =………………

=……………………

求解上面的初中代数方程得=-/*

这就是传说中的反向放大器的输入输出关系式了。

同向放大器

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图中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,通过和的电流相等,设此电流为,由欧姆定律得:=/ ……

等于上的分压,即:=*……

由式得=* /这就是传说中的同向放大器的公式了。

加法器

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图中,由虚短知: V- = V = 0 ……a

由虚断及基尔霍夫定律知,通过与的电流之和等于通过的电流,故–-/ –-/=-–/……

代入式,式变为/ /=/如果取==,则上式变为-= ,这就是传说中的加法器了。

加法器


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请看图。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– /= -/……

–-/=-/……

由虚短知: =-……如果=,=,则由以上式子可以推导出 = /-=/故= 也是一个加法器,呵呵!

减法器


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图由虚断知,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

–-/=/……

如果=,则 =/……

如果=,则-= /……

由虚短知 =-……

所以=-这就是传说中的减法器了。

积分电路


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图电路中,由虚短知,反向输入端的电压与同向端相等,

由虚断知,通过的电流与通过的电流相等。

通过的电流=/

通过的电流=*/=-*/

所以=-/*∫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。

若为恒定电压,则上式变换为=-*/*是时间,则输出电压是一条从至负电源电压按时间变化的直线。

微分电路


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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,运放同向端与反向端电压是相等的。

则:=-*=-*/

这是一个微分电路。

如果是一个突然加入的直流电压,则输出对应一个方向与相反的脉冲。

差分放大电路


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由虚短知=……

=……

由虚断知,运放输入端没有电流流过,则、、可视为串联,通过每一个电阻的电流是相同的,电流=-/……

则:-=* =- /……

由虚断知,流过与流过的电流相等,若=,则=/……

同理若=,则–=–,故= /……

由虚短知,=……

由得=–……

由得=– /上式中 /是定值,此值确定了差值–的放大倍数。

这个电路就是传说中的差分放大电路了。

电流检测


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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~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:

-/=/……

-/=-/……

由虚短知:=……

电流从~变化,则= .~……

由式代入式得 .~-/=-/……

如果=,=,则由-得=-.~/……

图九中/=/=.,则式=-.~.,

即是说,将~电流转换成了-.~-.电压,此电压可以送去处理。

注:若将图九电流反接既得= .~.,

电压电流转换检测


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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–/=–/……

同理–/=/……

由虚短知=……

如果=,=,则由式得-=

上式两端的电压和输入电压相等,则通过的电流=/,如果负载<< />

传感器检测


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来一个复杂的,图是一个三线制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,第、脚电压和第脚电压相等=……

由虚断知,第脚没有电流流过,则流过和上的电流相等。-/=-/……

由虚断知,第脚没有电流流过,=……在桥电路中和、及线电阻串联,与线电阻串联分得的电压通过电阻加至的第脚,=* / …

由虚短知,第脚和第脚电压相等,=……

由得,-/=-/.化简得=.*-/.即=. / –/……

上式输出电压是的函数我们再看线电阻的影响。最下端线电阻上产生的电压降经过中间的线电阻、、,加至的第脚,

由虚断知,===*/ ……

-/=/……

由虚短知,=……

由式得=./.=./. ……

由式组成的方程组知,如果测出、的值,就可算出及,,查分度表就温度的大小了。

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