几种运算放大器(比较器)及经典电路的简单分析共13页文档.doc

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1、如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流几种运算放大器(比较器)及经典电路的简单分析【精品文档】第 13 页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

2、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 V14 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，

3、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1M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

4、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。 (原文件名:1.jpg)引用图片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R

5、1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。 (原文件名:2.jpg)引用图片图二中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

6、的公式了。 (原文件名:3.jpg)引用图片图三中，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。 (原文件名:4.jpg)引用图片请看图四。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

7、 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！ (原文件名:5.jpg)引用图片图五由虚断知，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

8、Vout=V2-V1 这就是传说中的减法器了。 (原文件名:6.jpg)引用图片图六电路中，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=C*dUc/dt=-C*dVout/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 = -U*t/(R1*C1) 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。 (原文件名:7.jpg)引用图片图七中由虚断知，通过电容C1和电阻R2的电

9、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。 (原文件名:8.jpg)引用图片图八.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

10、= 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。 (原文件名:9.jpg)引用图片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

11、100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020mA变化，则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，则由e-a得Vout = -(0.42)R4/R2 f 图九中R4/R2=22k/10k=2.2，则f式Vout = -(0.884.4)V，即

12、是说，将420mA电流转换成了-0.88 -4.4V电压，此电压可以送ADC去处理。 (原文件名:10.jpg)引用图片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，

13、则通过R7的电流I=Vi/R7，如果负载RLUr时，输出为高电平UOH。图2b为其传输特性。图3为某仪器中过热检测保护电路。它用单电源供电，1/4LM339的反相输入端加一个固定的参考电压，它的值取决于R1于R2。UR=R2/（R1+R2）*UCC。同相端的电压就等于热敏元件Rt的电压降。当机内温度为设定值以下时，“+”端电压大于“-”端电压，Uo为高电位。当温度上升为设定值以上时，“-”端电压大于“+”端，比较器反转，Uo输出为零电位，使保护电路动作，调节R1的值可以改变门限电压，既设定温度值的大小。迟滞比较器迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。前面介绍的单限比较器，如果输入信号Uin

14、在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏）。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。图4a给出了一个迟滞比较器，人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的比较器。图4b为迟滞比较器的传输特性。不难看出，当输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值附近的干扰不超过U之值，输出电压的值就将是稳定的。但随之而来的是分辨率降低。因为对迟滞比较器来说，它不能分辨差别小于U的两个输入电压值。迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度，这是它的一个优点。除此之外，由于迟滞比较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。如果需要将一个跳变点固定在

15、某一个参考电压值上，可在正反馈电路中接入一个非线性元件，如晶体二极管，利用二极管的单向导电性，便可实现上述要求。图5为其原理图。图6为某电磁炉电路中电网过电压检测电路部分。电网电压正常时，1/4LM339的U42.8V，比较器翻转，输出为0V，BG1截止，U5的电压就完全决定于R1与R2的分压值，为2.7V，促使U4更大于U5，这就使翻转后的状态极为稳定，避免了过压点附近由于电网电压很小的波动而引起的不稳定的现象。由于制造了一定的回差（迟滞），在过电压保护后，电网电压要降到242-5=237V时，U4U3，电磁炉才又开始工作。这正是我们所期望的。双限比较器（窗口比较器）图7电路由两个LM339组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时（UR1UinUR2或UinUR1）输出为低电位（UO=UOL），窗口电压U=UR2-UR1。它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。用LM339组成振荡器图8为有1/4LM339组成的音频方波振荡器的电路。改变C1可改变输出方波的频率。本电路中，当C1=0.1uF时。f=53Hz；当C1=0.01uF时，f=530Hz；当C1=0.001uF时，f=5300Hz。LM339还可以组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、CMOS电路接口。