經典運放電路詳細分析(模擬電子技術)

運放電路

何爲運放電路???由運算放大器組成的電路,簡稱爲運放電路。這些電路可以說是五花八門,是我們學習模擬電子技術的一個重要內容,更是一個電子工程師必須掌握的電路之一。運放電路有多種類型,是不是我們把它們牢牢記住就行了呢??顯然不是啦!作爲知識的搬運工,我很不建議大家這樣做啦!畢竟電路是會變的,換個套路考你就懵逼了,所以學習運放還是應該理解它,消化它。其實,運放也沒想象的那麼難啦!今天,教各位戰無不勝的兩招,這兩招在所有運放電路的教材裏都寫得明白,就是“虛短”和“虛斷”,不過要把它運用得出神入化,就要有較深厚的功底了。 只要我們熟練掌握“虛短”和“虛斷”兩個”小武器”,就能在沙場上將“運放”這個敵人打敗啦!

虛短和虛斷

“虛短”是指在分析運算放大器處於線性狀態時,可把兩輸入端視爲等電位,這一特性稱爲虛假短路,簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。(輸入差模電壓不大於1mv)
“虛斷”是指在分析運放處於線性狀態時,可以把兩輸入端視爲等效開路,這一特性 稱爲虛假開路,簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。(差模輸入電阻無窮大)

運放電路類型

下面給大家詳細講解幾種經典的運放電路,讓大家能對運放電路有一個深入的理解。

1.反向運算電路
在這裏插入圖片描述
分析: Vi輸入信號,R2反饋電阻,Vout輸出信號
由虛短,得V-=V+=0;
因此,流經R1電流Ir1=(Vi-V-)/R1=Vi/R1
由虛斷,得Ir1=I2;I2=-Vout/R2;
所以Vout=-Vi*R2/R1
這就是傳說中的反向放大器分析過程啦!!是不是很簡單啊??哈哈

2.同向運算電路
在這裏插入圖片描述
分析:Vi輸入信號,R1反饋電阻,Vout輸出信號
由虛短,得Vi=V-;
再根據虛斷,可知R1,R2可近似看成串聯,則流經R1,R2的電流相等,即Ir1=Ir2;
(Vout-V-)/R1=V-/R2即(Vout-Vi)/R1=Vi/R2;故Vout=ViR1/R2-Vi=Vi(R1/R2-1);
認真看看,這個電路是不是跟之前分析得反向放大電路只差一個符號呢??沒錯,這就是同向放大器,是不是很驚喜,很簡單呢?哈哈哈!!

3.加法運算電路
在這裏插入圖片描述
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先分析圖三,V1,V2輸入信號,R3反饋電阻,Vout輸出電壓
由虛短,得V-=V+=0;
由虛斷,可知流經R1,R2和R3電流分別爲Ir1=V1/R1;Ir2=V2/R2;Ir3=-Vout/R3;
再根據基爾霍夫電流定律,可知流經R3得電流等於Ir1+Ir2
所以,Ir3=Ir1+Ir2即-Vout/R3=V1/R1+V2/R2,若取R1,R2,R3值相同,則-Vout=V1+V2;

再分析圖四,V1,V2輸入信號,R3反饋電阻,Vout輸出電壓
由虛斷,我們可以知道R3,R4串聯,流過電流相等,即Ir3=Ir4=Vout/R3+R4;
所以,V-=Ir4R4=VoutR4/R3+R4;
由虛短可知,V-=V+;即V+=VoutR4/R3+R4;
再根據虛斷,我們同樣可以知道R1,R2串聯,流過電流相等,即Ir1=Ir2
所以,(V1-Vout
R4/R3+R4)/R1=-(V2-Vout*R4/R3+R4)/R2;
如果R1=R2,R3=R4,則V1+V2=Vout;
顧名思義這兩個電路就是電壓加法器,簡稱加法運算電路。

4.減法運算電路
在這裏插入圖片描述
分析:Vi1,Vi2輸入信號,Rf反饋電阻,Vo輸出信號
由虛斷可知,R3和R2,R1和Rf可近似看成串聯,則流經其電阻電流Ir2=Ir3;Ir1=If;即{(Vi2-V+)/R2=V+/R3; (Vi1-V-)/R1=(V- -Vo)/Rf} ;----------a
由虛短得,V-=V+;----------b
很明顯就是解初中學到二元一次方程組,要是這都不會,我勸你還是儘早放棄啦啊啊!!!
假設以上電阻阻值相等,則聯立ab兩式,解得Vo=Vi2-Vi1;

5.積分運算電路
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分析:
由虛短可知,V+=V-=0;
再根據虛斷,得Ir1=Ic1=(V1-V-)/R1=C1*d(Vc1)/dt=-C1 d(Vout)/dt;
所以, Vout=((-1/(R1
C1))∫V1dt
顯然這是我們高中所學的積分,故這就是我們需要掌握的積分運放電路

6.微分運算電路
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分析:
由虛短,得V+=V-=0;
流經C1的電流Ic1=d(Vc1)/dt/C1=d(V1)/dt/C1;
由虛斷,得Ic1=Ir2=-Vout/R2;
所以,Vout= -(d(V1)/dt/(C1*R2))
顯然,這是我們高中所學微分,故這就是傳說中的微分運放電路

7.差分運算電路
在這裏插入圖片描述
分析:
由虛短,得V1=Vx;V2=Vy;所以流經R2電流Ir2=(Vx-Vy)/R2=(V1-V2)/R2;
由虛斷,可知R1,R2,R3可近似看成串聯,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也可近似看成串聯,則Vw=Vo2/(R6+R7)R7--------b;R4,R5也可近似看成串聯,則Vv=(Vo1-Vout)(R5/(R4+R5))----------c;
再由虛短,得Vw=Vv--------d;
聯立a b c d式,解得Vout=Vo1-Vo2= (Vy –Vx)(R1+R2+R3)/R2;該結果我們可以知道,這是一個差分放大運算電路,因爲(R1+R2+R3)/R2是定值,所以 (Vy –Vx)決定了放大的倍數;

8.電流檢測電路
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分析一個大家接觸得較多的電路。很多控制器接受來自各種檢測儀表的0-20mA或4-20mA電流,電路將此電流轉換成電壓後再送ADC轉換成數字信 號,圖九就是這樣一個典型電路。故:
當電流流經R1時,在其兩端產生了電位差,分別爲V1和V2;
由虛斷可知,R2和R4可近似看成串聯,所以(V1-Vx)/R2=(Vx-Vout)/R4--------a;
R3和R5也可近似看成串聯,所以(V2-Vy)/R3=Vy/R5---------b;
再由虛短,得Vx=Vy--------c;
從0-20mA變化,則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,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,
是說,將4~20mA電流轉換成了-0.88 ~ -4.4V電壓,此電壓可以送ADC去處理。
注:若將圖九電流反接既得 Vout = +(0.88~4.4)V,

9.電壓檢測電路
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電流可以轉換成電壓,電壓也可以轉換成電流。圖十就是這樣一個電路。上圖的負反饋沒有通過電阻直接反饋,而是串聯了三極管Q1的發射結,大家可不要以爲是一個比較器就是了。只要是放大電路,虛短虛斷的規律仍然是符合的!
由虛斷知,運放輸入端沒有電流流過,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
上式說明R7兩端的電壓和輸入電壓Vi相等,則通過R7的電流I=Vi/R7,如果負載RL<<100KΩ,則通過Rl和通過R7的電流基本相同。

10.對數運算電路
在這裏插入圖片描述
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二極管電流公式:iD=Is*(e^(VD/VT)-1)
三極管集電極電流公式:iT=Is*(e^(VBE/VT)-1)

分析圖一:
由虛斷,可知iI=iC=iD=Vi/R;
由虛短,得Vd=Vo;
iD=Is*(e^(VD/VT)-1)
≈Ise^(VD/VT)
=Is
e^(-Vo/VT)
=Vi/R;
當VD>>VT時,Vo≈ -VTln(Vi/RIs)

分析圖二:
由虛斷,可知iI=iC=iE=Vi/R;
由虛短,得VBE=-Vo;
iE=Is*(e^(VBE/VT)-1)
≈Ise^(VBE/VT)
=Is
e^(-VBE/VT)
=Vi/R;
當VD>>VT時,Vo≈ -VTln(Vi/RIs)

綜合上述分析,我們可以知道這兩個電路都是對數運算電路

總結

經過對以上的詳細分析,是不是對運放電路有了深刻的認識呢?可以電路五花八門,多種多樣,我們不僅僅要有深刻的認識,更重要的是要學到分析的方法,這樣我們才能遊刃有餘。講的不好的地方,多多諒解啦!!!我只是一名很普通的知識搬運工!!!

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