幾種運算放大器(比較器)及經(jīng)典電路的簡單分析.doc

精品運算放大器組成的電路五花八門，令人眼花瞭亂，是模擬電路中學習的重點。在分析它的工作原理時倘沒有抓住核心，往往令人頭大。為此本人特搜羅天下運放電路之應用，來個“庖丁解?！?，希望各位從事電路板維修的同行，看完后有所斬獲。 遍觀所有模擬電子技朮的書籍和課程，在介紹運算放大器電路的時候，無非是先給電路來個定性，比如這是一個同向放大器，然后去推導它的輸出與輸入的關系，然后得出Vo=(1+Rf)Vi，那是一個反向放大器，然后得出Vo=-Rf*Vi最后學生往往得出這樣一個印象：記住公式就可以了！如果我們將電路稍稍變換一下，他們就找不著北了！偶曾經(jīng)面試過至少100個以上的大專以上學歷的電子專業(yè)應聘者，結果能將我給出的運算放大器電路分析得一點不錯的沒有超過10個人！其它專業(yè)畢業(yè)的更是可想而知了。 今天，芯片級維修教各位戰(zhàn)無不勝的兩招，這兩招在所有運放電路的教材里都寫得明白，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。 虛短和虛斷的概念 由于運放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 dB以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在 10 V14 V。因此運放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當于 “短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。 “虛短”是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。 由于運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算放大器的輸入電阻都在1M以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足1uA，遠小于輸入端外電路的電流。故 通?？砂堰\放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路?！疤摂唷笔侵冈诜治鲞\放處于線性狀態(tài)時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性 稱為虛假開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。 在分析運放電路工作原理時，首先請各位暫時忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、減法器，什么差動輸入暫時忘掉那些輸入輸出關系的公式這些東東只會干擾你，讓你更糊涂也請各位暫時不要理會輸入偏置電流、共模抑制比、失調電壓等電路參數(shù)，這是設計者要考慮的事情。我們理解的就是理想放大器（其實在維修中和大多數(shù)設計過程中，把實際放大器當做理想放大器來分析也不會有問題）。 好了，讓我們抓過兩把“板斧”-“虛短”和“虛斷”，開始“庖丁解?！绷?。 (原文件名:1.jpg)引用圖片圖一運放的同向端接地=0V，反向端和同向端虛短，所以也是0V，反向輸入端輸入電阻很高，虛斷，幾乎沒有電流注入和流出，那么R1和R2相當于是串聯(lián)的，流過一個串聯(lián)電路中的每一只組件的電流是相同的，即流過R1的電流和流過R2的電流是相同的。流過R1的電流I1 = (Vi - V-)/R1 a 流過R2的電流I2 = (V- - Vout)/R2 b V- = V+ = 0 c I1 = I2 d 求解上面的初中代數(shù)方程得Vout = (-R2/R1)*Vi 這就是傳說中的反向放大器的輸入輸出關系式了。 (原文件名:2.jpg)引用圖片圖二中Vi與V-虛短，則 Vi = V- a 因為虛斷，反向輸入端沒有電流輸入輸出，通過R1和R2 的電流相等，設此電流為I，由歐姆定律得： I = Vout/(R1+R2) b Vi等于R2上的分壓， 即：Vi = I*R2 c 由abc式得Vout=Vi*(R1+R2)/R2 這就是傳說中的同向放大器的公式了。 (原文件名:3.jpg)引用圖片圖三中，由虛短知： V- = V+ = 0 a 由虛斷及基爾霍夫定律知，通過R2與R1的電流之和等于通過R3的電流，故 (V1 V-)/R1 + (V2 V-)/R2 = (Vout V-)/R3 b 代入a式，b式變?yōu)閂1/R1 + V2/R2 = Vout/R3 如果取R1=R2=R3，則上式變?yōu)閂out=V1+V2，這就是傳說中的加法器了。 (原文件名:4.jpg)引用圖片請看圖四。因為虛斷，運放同向端沒有電流流過，則流過R1和R2的電流相等，同理流過R4和R3的電流也相等。故 (V1 V+)/R1 = (V+ - V2)/R2 a (Vout V-)/R3 = V-/R4 b 由虛短知： V+ = V- c 如果R1=R2，R3=R4，則由以上式子可以推導出 V+ = (V1 + V2)/2 V- = Vout/2 故 Vout = V1 + V2 也是一個加法器，呵呵！ (原文件名:5.jpg)引用圖片圖五由虛斷知，通過R1的電流等于通過R2的電流，同理通過R4的電流等于R3的電流，故有 (V2 V+)/R1 = V+/R2 a (V1 V-)/R4 = (V- - Vout)/R3 b 如果R1=R2， 則V+ = V2/2 c 如果R3=R4， 則V- = (Vout + V1)/2 d 由虛短知 V+ = V- e 所以 Vout=V2-V1 這就是傳說中的減法器了。 (原文件名:6.jpg)引用圖片圖六電路中，由虛短知，反向輸入端的電壓與同向端相等，由虛斷知，通過R1的電流與通過C1的電流相等。通過R1的電流 i=V1/R1 通過C1的電流i=C*dUc/dt=-C*dVout/dt 所以 Vout=(-1/(R1*C1)V1dt 輸出電壓與輸入電壓對時間的積分成正比,這就是傳說中的積分電路了。若V1為恒定電壓U，則上式變換為Vout = -U*t/(R1*C1) t 是時間，則Vout輸出電壓是一條從0至負電源電壓按時間變化的直線。 (原文件名:7.jpg)引用圖片圖七中由虛斷知，通過電容C1和電阻R2的電流是相等的，由虛短知，運放同向端與反向端電壓是相等的。則： Vout = -i * R2 = -(R2*C1)dV1/dt 這是一個微分電路。如果V1是一個突然加入的直流電壓，則輸出Vout對應一個方向與V1相反的脈沖。 (原文件名:8.jpg)引用圖片圖八.由虛短知Vx = V1 a Vy = V2 b 由虛斷知，運放輸入端沒有電流流過，則R1、R2、R3可視為串聯(lián)，通過每一個電阻的電流是相同的， 電流I=(Vx-Vy)/R2 c 則： Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3) = (Vx-Vy)(R1+R2+R3)/R2 d 由虛斷知，流過R6與流過R7的電流相等,若R6=R7， 則Vw = Vo2/2 e 同理若R4=R5，則Vout Vu = Vu Vo1，故Vu = (Vout+Vo1)/2 f 由虛短知，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，此值確定了差值(Vy Vx)的放大倍數(shù)。這個電路就是傳說中的差分放大電路了。 (原文件名:9.jpg)引用圖片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020mA或420mA電流，電路將此電流轉換成電壓后再送ADC轉換成數(shù)字信號，圖九就是這樣一個典型電路。如圖420mA電流流過采樣100電阻R1，在R1上會產生0.42V的電壓差。由虛斷知，運放輸入端沒有電流流過，則流過R3和R5的電流相等，流過R2和R4的電流相等。故： (V2-Vy)/R3 = Vy/R5 a (V1-Vx)/R2 = (Vx-Vout)/R4 b 由虛短知： Vx = Vy c 電流從020mA變化，則V1 = V2 + (0.42) d 由cd式代入b式得(V2 + (0.42)-Vy)/R2 = (Vy-Vout)/R4 e 如果R3=R2，R4=R5，則由e-a得Vout = -(0.42)R4/R2 f 圖九中R4/R2=22k/10k=2.2，則f式Vout = -(0.884.4)V，即是說，將420mA電流轉換成了-0.88 -4.4V電壓，此電壓可以送ADC去處理。 (原文件名:10.jpg)引用圖片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(lián)了三極管Q1的發(fā)射結，大家可不要以為是一個比較器就是了。只要是放大電路，虛短虛斷的規(guī)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RLUr時，輸出為高電平UOH。圖2b為其傳輸特性。圖3為某儀器中過熱檢測保護電路。它用單電源供電，1/4LM339的反相輸入端加一個固定的參考電壓，它的值取決于R1于R2。UR=R2/（R1+R2）*UCC。同相端的電壓就等于熱敏元件Rt的電壓降。當機內溫度為設定值以下時，“+”端電壓大于“-”端電壓，Uo為高電位。當溫度上升為設定值以上時，“-”端電壓大于“+”端，比較器反轉，Uo輸出為零電位，使保護電路動作，調節(jié)R1的值可以改變門限電壓，既設定溫度值的大小。遲滯比較器遲滯比較器又可理解為加正反饋的單限比較器。前面介紹的單限比較器，如果輸入信號Uin在門限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就會產生相應的抖動（起伏）。在電路中引入正反饋可以克服這一缺點。圖4a給出了一個遲滯比較器，人們所熟悉的“史密特”電路即是有遲滯的比較器。圖4b為遲滯比較器的傳輸特性。不難看出，當輸出狀態(tài)一旦轉換后，只要在跳變電壓值附近的干擾不超過U之值，輸出電壓的值就將是穩(wěn)定的。但隨之而來的是分辨率降低。因為對遲滯比較器來說，它不能分辨差別小于U的兩個輸入電壓值。遲滯比較器加有正反饋可以加快比較器的響應速度，這是它的一個優(yōu)點。除此之外，由于遲滯比較器加的正反饋很強，遠比電路中的寄生耦合強得多，故遲滯比較器還可免除由于電路寄生耦合而產生的自激振蕩。如果需要將一個跳變點固定在某一個參考電壓值上，可在正反饋電路中接入一個非線性元件，如晶體二極管，利用二極管的單向導電性，便可實現(xiàn)上述要求。圖5為其原理圖。圖6為某電磁爐電路中電網(wǎng)過電壓檢測電路部分。電網(wǎng)電壓正常時，1/4LM339的U42.8V，比較器翻轉，輸出為0V，BG1截止，U5的電壓就完全決定于R1與R2的分壓值，為2.7V，促使U4更大于U5，這就使翻轉后的狀態(tài)極為穩(wěn)定，避免了過壓點附近由于電網(wǎng)電壓很小的波動而引起的不穩(wěn)定的現(xiàn)象。由于制造了一定的回差（遲滯），在過電壓保護后，電網(wǎng)電壓要降到242-5=237V時，U4U3，電磁爐才又開始工作。這正是我們所期望的。雙限比較器（窗口比較器）圖7電路由兩個LM339組成一個窗口比較器。當被比較的信號電壓Uin位于門限電壓之間時（UR1UinUR2或Uin