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运用“虚短”“虚断”轻松搞定运算放大器

2011-01-31 09:09
水墨黯月
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  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”,希望各位从事电路板维修的同行,看完后有所斩获。

  遍观所有模拟电子技朮的书籍和课程,在介绍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Vo=(1+Rf)Vi,那是一个反向放大器,然后得出Vo=-Rf*Vi……最后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!偶曾经面试过至少100个以上的大专以上学历的电子专业应聘者,结果能将我给出的运算放大器电路分析得一点不错的没有超过10个人!其它专业毕业的更是可想而知了。

  今天,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。

  

  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。

  

  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。

  

  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。

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