模擬技術(shù)基礎(chǔ)：運算放大器基本電路分析

　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 V～14 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(dāng)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1MΩ以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足1uA，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。故 通常可把運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(guān)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(diào)電壓等電路參數(shù)，這是設(shè)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(shè)計過程中，把實際放大器當(dāng)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?。

　　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(dāng)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(guān)系式了。

　　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(shè)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。

　　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。

　　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

　?。╒1 – 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(dǎo)出

　　V+ = （V1 + V2）/2

　　V- = Vout/2

　　故 Vout = V1 + V2

　　也是一個加法器，呵呵！

　　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

　?。╒2 – V+）/R1 = V+/R2 ……a

　?。╒1 – 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。

　　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(fù)電源電壓按時間變化的直線。

　　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(yīng)一個方向與V1相反的脈沖。

　　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(huán)

　　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。

　　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0~20mA或4~20mA電流，電路將此電流轉(zhuǎn)換成電壓后再送ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，圖九就是這樣一個典型電路。如圖4~20mA電流流過采樣100Ω電阻R1，在R1上會產(chǎn)生0.4~2V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

　?。╒1-Vx）/R2 = （Vx-Vout）/R4 ……b

　　由虛短知： Vx = Vy ……c

　　電流從0~20mA變化，則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，則由e-a得Vout = -（0.4~2）R4/R2 ……f

　　圖九中R4/R2=22k/10k=2.2，則f式Vout = -（0.88~4.4）V，即是說，將4~20mA電流轉(zhuǎn)換成了-0.88 ~ -4.4V電壓，此電壓可以送ADC去處理。

　　電流可以轉(zhuǎn)換成電壓，電壓也可以轉(zhuǎn)換成電流。圖十就是這樣一個電路。上圖的負(fù)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(jié)，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(fù)載RL《《100KΩ，則通過Rl和通過R7的電流基本相同。

　　來一個復(fù)雜的，呵呵！

　　圖十一是一個三線制PT100前置放大電路。PT100傳感器引出三根材質(zhì)、線徑、長度完全相同的線，接法如圖所示。有2V的電壓加在由R14、R20、R15、Z1、PT100及其線電阻組成的橋電路上。Z1、Z2、Z3、D11、D12、D83及各電容在電路中起濾波和保護(hù)作用，靜態(tài)分析時可不予理會，Z1、Z2、Z3可視為短路，D11、D12、D83及各電容可視為開路。

　　由電阻分壓知，

　　V3=2*R20/（R14+20）=200/1100=2/11 ……a

　　由虛短知，U8B第6、7腳 電壓和第5腳電壓相等

　　V4=V3 ……b

　　由虛斷知，U8A第2腳沒有電流流過，則流過R18和R19上的電流相等。

　　（V2-V4）/R19=（V5-V2）/R18 ……c

　　由虛斷知，U8A第3腳沒有電流流過，

　　V1=V7 ……d

　　在橋電路中R15和Z1、PT100及線電阻串聯(lián)，PT100與線電阻串聯(lián)分得的電壓通過電阻R17加至U8A的第3腳，

　　V7=2*（Rx+2R0）/（R15+Rx+2R0） …。.e

　　由虛短知，U8A第3腳和第2腳電壓相等，

　　V1=V2 ……f

　　由abcdef得， （V5-V7）/100=（V7-V3）/2.2

　　化簡得 V5=（102.2*V7-100V3）/2.2

　　即 V5=204.4（Rx+2R0）/（1000+Rx+2R0） – 200/11 ……g

　　上式輸出電壓V5是Rx的函數(shù)

　　我們再看線電阻的影響。Pt100最下端線電阻上產(chǎn)生的電壓降經(jīng)過中間的線電阻、Z2、R22，加至U8C的第10腳，由虛斷知，

　　V5=V8=V9=2*R0/（R15+Rx+2R0） ……a

　?。╒6-V10）/R25=V10/R26 ……b

　　由虛短知， V10=V5 ……c

　　由式abc得 V6=（102.2/2.2）V5=204.4R0/［2.2（1000+Rx+2R0）］ ……h(huán)

　　由式gh組成的方程組知，如果測出V5、V6的值，就可算出Rx及R0，知道Rx，查pt100分度表就知道溫度的大小了。