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。戰無不勝的兩招,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很大,一般通用型運算放大器的開環電壓放大倍數都在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,相當于 “短路”。開環電壓放大倍數越大,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。“虛斷”是指在分析運放處于線性狀態時,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,這是設計者要考慮的事情。
1)反向放大器:
圖1
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相當于是串聯的,流過一個串聯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。
2)同向放大器:
圖2
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。
3)加法器1:
圖3
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 = (V-–Vout)/R3 ……b
代入a式,b式變為V1/R1+ V2/R2 = Vout/R3 如果取R1=R2=R3,則上式變為-Vout=V1+V2,這就是傳說中的加法器了。
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