模拟技术
直播中

李郝荫

7年用户 1261经验值
私信 关注
[经验]

十一种经典运放电路教你熟练掌握虚短、虚断的电路分析

从虚断,虚短分析基本运放电路
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。

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,]

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。]
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]
“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]
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]
好了,让我们抓过两把“板斧”------“虚短”和“虚断”,开始“庖丁解牛”了。

1)反向放大器:
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- = V+ = 0 ………………c
I1]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:
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]Vi等于R2上的分压, 即:Vi = I*R2 ……c
由abc式得Vout=Vi*(R1+R2)/R2]
3)加法器1:
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]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:
图4
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]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。

5)减法器
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](V1 – V-)/R4 = (V- - Vout)/R3 ……b
如果R1=R2,]如果R3=R4, 则V- = (Vout + V1)/2 ……d
由虚短知]所以 Vout=V2-V1 这就是传说中的减法器了。

6)积分电路:
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]通过C1的电流i=CdUc/dt=-CdVout/dt
所以]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7
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。

8)差分放大电路
图8
由虚短知]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,]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,]同理若R4=R5,则Vout – Vu = Vu – Vo1,故Vu = (Vout+Vo1)/2 ……f
由虚短知,Vu]由efg得 Vout = Vo2 – Vo1 ……h
由dh得]这个电路就是传说中的差分放大电路了。

9)电流检测:
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](V2-Vy)/R3 = Vy/R5 ……a
(V1-Vx)/R2]由虚短知: Vx = Vy ……c
电流从0~20mA变化,则V1]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]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]10)电压电流转换检测:
图10
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]同理 (V3 – V2)/R5 = V2/R4 ……b
由虚短知]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。

11)传感器检测:
图11
来一个复杂的!图十一是一个三线制PT100前置放大电路。PT100传感器引出三根材质、线径、长度完全相同的线,接法如图所示。有2V的电压加 在由R14、R20、R15、Z1、PT100及其线电阻组成的桥电路上。Z1、Z2、Z3、D11、D12、D83及各电容在电路中起滤波和保护作用, 静态分析时可不予理会,Z1、Z2、Z3可视为短路,D11、D12、D83及各电容可视为开路。由电阻分压知, V3=2*R20/(R14+20)=200/1100=2/11 ……a
由虚短知,U8B第6、7脚]由虚断知,U8A第2脚没有电流流过,则流过R18和R19上的电流相等。 (V2-V4)/R19=(V5-V2)/R18 ……c
由虚断知,U8A第3脚没有电流流过,]由虚短知,U8A第3脚和第2脚电压相等, V1=V2 ……f
由abcdef得,]上式输出电压V5是Rx的函数我们再看线电阻的影响。Pt100最下端线电阻上产生的电压降经过中间的线电阻、Z2、R22,加至U8C的第10脚,
由虚断知,](V6-V10)/R25=V10/R26 ……b
由虚短知,]由式abc得 V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/[2.2(1000+Rx+2R0)] ……h 由式gh组成的方程组知,如果测出V5、V6的值,就可算出Rx及R0,知道Rx,查pt100分度表就知道温度的大小了。




回帖(1)

李泉胜

2019-7-3 13:16:52
谢谢分享!学习学习!
举报

更多回帖

发帖
×
20
完善资料,
赚取积分