常用运放电路

    1.运放的基本知识:

    运放,是运算放大的简称.原理图上最简单的标识符如下:

    相关术语:

    同向端:

        U+对应的端子为同向端.

    反向端:

        U-对应的端子为反向端.

    虚短:

        在分析电压时,可以把U-和U+之间理解为电势差相等,谓之虚短.

    虚断:

        在分析电流时,可以把运放A当作一个无穷大的电阻,上面流过的电流几乎等于0,谓之虚断.

 

    2.常用运放电路分析:

        2-1.反向放大器:

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。 

 

    2-2.同向放大器

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。 

 

    2-3.加法器1：

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 = (V- –Vout)/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。 

 

    2-4.加法器2

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 – 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！

 

    2-5.减法器

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 Vout=V2-V1 这就是传说中的减法器了。

 

    2-6.积分电路

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。

 

    2-7.微分电路

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。

 

    2-8.差分放大电路

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 = 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。

 

    2-9.电流检测

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转换成数字信号，图九就是这样一个典型电路。如图4~20mA电流流过采样100Ω电阻R1，在R1上会产生0.4~2V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0~20mA变化，则V1 = 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，则由e-a得Vout = -(0.4~2)R4/R2 ……f 

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 ~ -4.4V电压，此电压可以送ADC去处理。

 

    2-10.压电流转换检测

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，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。