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    2020-10-15 19:13:04
    运放电路
  • 运放电路分析

    2020-08-04 08:54:47
    运放电路

    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。

    1)反向放大器:

    在这里插入图片描述

    图1

    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:

    在这里插入图片描述

    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:

    在这里插入图片描述

    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:

    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!

    在这里插入图片描述

    图4

    5)减法器

    在这里插入图片描述

    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:

    在这里插入图片描述

    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=CdUc/dt=-CdVout/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 = -Ut/(R1C1) 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。
    在这里插入图片描述

    图7

    8)差分放大电路

    在这里插入图片描述

    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:

    在这里插入图片描述

    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020mA或420mA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420mA电流流过采样100Ω电阻R1,在R1上会产生0.42V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:

    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!
    在这里插入图片描述
    图10

    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。

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  • 运放电路是我们电路设计经常遇见的基础电路,但是电路有简单,有复杂;学习好仿真软件,助你电路设计事半功倍。对于简单的运放电路,如下图差分电路:我们可以计算:▪ 采样比为:G=R2/R1=1;▪截止频率:f=1/(2*π*...

    本文是 21Dianyuan 社区原创技术文章,作者闪烁,感谢作者的辛苦付出。

    运放电路是我们电路设计经常遇见的基础电路,但是电路有简单,有复杂;学习好仿真软件,助你电路设计事半功倍。

    对于简单的运放电路,如下图差分电路

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    我们可以计算:▪ 采样比为:G=R2/R1=1;▪ 截止频率:f=1/(2*π*R*C)=1592Hz;
    对于复杂的运放电路,我们按部就班,一步一步推算,也可以计算出采样比,以及截止频率;但是推算过程及其复杂,很多人望而却步。

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    接下来,通过仿真软件来解决运放问题。首先,先分析一下简单的差分电路,看看是否跟我们计算的一样。

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    输入给定一个 1V50Hz 信号源,从仿真波形看,看一看出 Vin 幅值= Vout 幅值,采样比为1,跟推算一致。
    计算截止频率,通过频谱扫描可以看出:(可以查一下增益曲线的截止频率定义,记得好像是低频增益下降为0.707处定义为截止频率)可以看出截止频率对应的增益为 -3dB,利用刻度读取可以得到截止频率为1592,跟推算的一致。

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    接下来,对比较复杂的运放电路(其实是一个在 50Hz 信号中提取直流分量电路)进行分析。先搭建好仿真电路

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    接下来进行频谱扫描。(从频谱可以看出来,该电路是一个低通电路。截止频率大概 30Hz)

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    计算直流增益,输入给定一个 0.1V 的电压。
    从仿真结果看,直流增益为13.999999

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    计算 50Hz 增益,输入给定一个 2V50Hz 的正弦电压,从仿真结果看,50Hz 交流增益为0.1247388

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    仿真实际滤波效果。标准 2V 的正玄信号在 0.5S 时叠加一个 0.1V 的直流量(观看输出是否能够检测到直流信号)。

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    从仿真波形看,很好的检测到了直流突变。

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    * 本文为 21Dianyuan 社区原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。

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  • 运放电路何为运放电路???由运算放大器组成的电路,简称为运放电路。这些电路可以说是五花八门,是我们学习模拟电子技术的一个重要内容,更是一个电子工程师必须掌握的电路之一。运放电路有多种类型,是不是我们把...

    运放电

    何为运放电路???由运算放大器组成的电路,简称为运放电路。这些电路可以说是五花八门,是我们学习模拟电子技术的一个重要内容,更是一个电子工程师必须掌握的电路之一。运放电路有多种类型,是不是我们把它们牢牢记住就行了呢??显然不是啦!作为知识的搬运工,我很不建议大家这样做啦!毕竟电路是会变的,换个套路考你就懵逼了,所以学习运放还是应该理解它,消化它。其实,运放也没想象的那么难啦!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。只要我们熟练掌握“虚短”和“虚断”两个”小武器”,就能在沙场上将“运放”这个敌人打败啦!

    虚短和虚断

    “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。(输入差模电压不大于1mv)
    “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。(差模输入电阻无穷大)

    运放电路类型

    下面给大家详细讲解几种经典的运放电路,让大家能对运放电路有一个深入的理解。

    1.反向运算电路d8b99ade97d7e418278b13da87da003b.png
    分析:Vi输入信号,R2反馈电阻,Vout输出信号
    由虚短,得V-=V+=0;
    因此,流经R1电流Ir1=(Vi-V-)/R1=Vi/R1
    由虚断,得Ir1=I2;I2=-Vout/R2;
    所以Vout=-Vi*R2/R1
    这就是传说中的反向放大器分析过程啦!!是不是很简单啊??哈哈

    2.同向运算电路4e33c56b1b185ff2b6b249b63c945a30.png
    分析:Vi输入信号,R1反馈电阻,Vout输出信号
    由虚短,得Vi=V-;
    再根据虚断,可知R1,R2可近似看成串联,则流经R1,R2的电流相等,即Ir1=Ir2;
    (Vout-V-)/R1=V-/R2即(Vout-Vi)/R1=Vi/R2;故Vout=ViR1/R2-Vi=Vi(R1/R2+1);
    认真看看,这个电路是不是跟之前分析得反向放大电路只差一个符号呢??没错,这就是同向放大器,是不是很惊喜,很简单呢?哈哈哈!!

    3.加法运算电路f51860373b86f637e68813897148fbbf.pngd8333e8fe5a7bae9d45de742f19fe3d1.png
    先分析图三,V1,V2输入信号,R3反馈电阻,Vout输出电压
    由虚短,得V-=V+=0;
    由虚断,可知流经R1,R2和R3电流分别为Ir1=V1/R1;Ir2=V2/R2;Ir3=-Vout/R3;
    再根据基尔霍夫电流定律,可知流经R3得电流等于Ir1+Ir2
    所以,Ir3=Ir1+Ir2即-Vout/R3=V1/R1+V2/R2,若取R1,R2,R3值相同,则-Vout=V1+V2;

    再分析图四,V1,V2输入信号,R3反馈电阻,Vout输出电压
    由虚断,我们可以知道R3,R4串联,流过电流相等,即Ir3=Ir4=Vout/R3+R4;
    所以,V-=Ir4R4=VoutR4/R3+R4;
    由虚短可知,V-=V+;即V+=VoutR4/R3+R4;
    再根据虚断,我们同样可以知道R1,R2串联,流过电流相等,即Ir1=Ir2
    所以,(V1-Vout
    R4/R3+R4)/R1=-(V2-Vout*R4/R3+R4)/R2;
    如果R1=R2,R3=R4,则V1+V2=Vout;
    顾名思义这两个电路就是电压加法器,简称加法运算电路。

    4.减法运算电路41fb572ff19037d36194e190da9a78c2.png
    分析:Vi1,Vi2输入信号,Rf反馈电阻,Vo输出信号
    由虚断可知,R3和R2,R1和Rf可近似看成串联,则流经其电阻电流Ir2=Ir3;Ir1=If;即{(Vi2-V+)/R2=V+/R3; (Vi1-V-)/R1=(V- -Vo)/Rf} ;----------a
    由虚短得,V-=V+;----------b
    很明显就是解初中学到二元一次方程组,要是这都不会,我劝你还是尽早放弃啦啊啊!!!
    假设以上电阻阻值相等,则联立ab两式,解得Vo=Vi2-Vi1;

    5.积分运算电路2578c779847bd4a1a91528f75268a9b9.png
    分析:
    由虚短可知,V+=V-=0;
    再根据虚断,得Ir1=Ic1=(V1-V-)/R1=C1*d(Vc1)/dt=-C1 d(Vout)/dt;
    所以, Vout=((-1/(R1
    C1))∫V1dt
    显然这是我们高中所学的积分,故这就是我们需要掌握的积分运放电路

    6.微分运算电路3695ded49e41870532d5875b4ce8767c.png
    分析:
    由虚短,得V+=V-=0;
    流经C1的电流Ic1=d(Vc1)/dtC1=d(V1)/dtC1;
    由虚断,得Ic1=Ir2=-Vout/R2;
    所以,Vout= -(d(V1)/dt*C1/R2)
    显然,这是我们高中所学微分,故这就是传说中的微分运放电路

    7.差分运算电路3dae6217c9c851846268464bd71b40f9.png
    分析:
    由虚短,得V1=Vx;V2=Vy;所以流经R2电流Ir2=(Vx-Vy)/R2=(V1-V2)/R2;
    由虚断,可知R1,R2,R3可近似看成串联,所以Vo1=V1-(-Ir2*R1)=V1+(V1-V2)R1/R2,同理可得Vo1=V2-(Ir2R3)=V2-(V1-V2)*R3/R2--------a;R6,R7也可近似看成串联,则Vw=Vo2/(R6+R7)R7--------b;R4,R5也可近似看成串联,则Vv=(Vo1-Vout)(R5/(R4+R5))----------c;
    再由虚短,得Vw=Vv--------d;
    联立a b c d式,解得Vout=Vo1-Vo2= (Vy –Vx)(R1+R2+R3)/R2;该结果我们可以知道,这是一个差分放大运算电路,因为(R1+R2+R3)/R2是定值,所以 (Vy –Vx)决定了放大的倍数;

    8.电流检测电路43787b84334dcbb4917ed1928b321718.png
    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。故:
    当电流流经R1时,在其两端产生了电位差,分别为V1和V2;
    由虚断可知,R2和R4可近似看成串联,所以(V1-Vx)/R2=(Vx-Vout)/R4--------a;
    R3和R5也可近似看成串联,所以(V2-Vy)/R3=Vy/R5---------b;
    再由虚短,得Vx=Vy--------c;
    从0-20mA变化,则V1 =V2 + (0.004~0.020)*100=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,
    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,

    9.电压检测电路cef50419d613f3068db5d3b59252edb0.png
    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。

    10.对数运算电路235f37bdffca5e448309a0bed3fa9cc8.pngbaf7d32f412863e0c82110aa2178158d.png
    二极管电流公式:iD=Is*(e^(VD/VT)-1)
    三极管集电极电流公式:iT=Is*(e^(VBE/VT)-1)

    分析图一:
    由虚断,可知iI=iC=iD=Vi/R;
    由虚短,得Vd=Vo;
    iD=Is*(e^(VD/VT)-1)
    ≈Ise^(VD/VT)
    =Is
    e^(-Vo/VT)
    =Vi/R;
    当VD>>VT时,Vo≈ -VTln(Vi/RIs)

    分析图二:
    由虚断,可知iI=iC=iE=Vi/R;
    由虚短,得VBE=-Vo;
    iE=Is*(e^(VBE/VT)-1)
    ≈Ise^(VBE/VT)
    =Is
    e^(-VBE/VT)
    =Vi/R;
    当VD>>VT时,Vo≈ -VTln(Vi/RIs)

    综合上述分析,我们可以知道这两个电路都是对数运算电路

    总结

    经过对以上的详细分析,是不是对运放电路有了深刻的认识呢?可以电路五花八门,多种多样,我们不仅仅要有深刻的认识,更重要的是要学到分析的方法,这样我们才能游刃有余。

    展开全文
  • 常用运放电路

    2018-11-12 16:03:43
    常用运算放大器电路,包含17个常用运放电路的简要分析
  • 1. 集成运放电路的组成集成运放电路由输入级、中间级、输出级和偏置电路等四部分组成,如图2-1所示。它有两个输入端,一个输出端。 图25-1 集成运放电路方框图输入级:又称前置级,多采用差分放大电路。要求输入电阻...

    1. 集成运放电路的组成

    集成运放电路由输入级、中间级、输出级和偏置电路等四部分组成,如图2-1所示。它有两个输入端,一个输出端。

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    图25-1 集成运放电路方框图

    输入级:又称前置级,多采用差分放大电路。要求输入电阻大,差模放大倍数大,抑制共模信号的能力强,输入端耐压高。

    中间级:主放大级,多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。

    输出级:功率级,多采用准互补输出级。要求输出电阻小,最大不失真输出电压尽可能大。

    偏置电路:为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。

    2. 集成运放的电压传输特性

    集成运放有同相输入端和反相输入端,其符号如图2-2(a)所示。从外部看,可以认为集成运放是一个双端输入、单端输出,具有高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能较好地抑制温漂的差分放大电路。集成运放的电压传输特性如图2-2(b)所示

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    图2-2 集成运放的符号和电压传输特性

    3. 集成运放的主要参数

    (1)开环差模电压放大倍数

    (2)差模输入电阻

    (3)共模抑制比

    (4)输入失调电压

    (5)输入失调电流

    (6)最大共模输入电压

    (7)最大差模输入电压

    4. 理想集成运放

    (1)理想运放参数特点:

    1开环电压放大倍数

    2输入电阻

    3输出电阻

    4共模抑制比

    (2)理想运放工作在线性区的电路特征:引入交、直流负反馈(如图2-3理想运算放大器)

    e1a5c371427c3e9de199207f9356b09c.png

    图2-3 理想运算放大器

    cda39e4cb16acf1b4476c5b46fd60586.png
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