運算是模擬電路中十分重要的元件,它能組成放大、加法、減法、轉換等各種電路,如何能更快更正確的分析運放電路,其實是不難的。那就是運用運放的“虛短”和“虛斷”來分析電路,然后應用歐姆定律等電流電壓關系,即可得輸入輸出的放大關系等。
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。
示例分析。如圖,是常見的反相比例運算放大電路,下面用虛短和虛斷的方法來分析電路。
在反相放大電路中,信號電壓通過電阻R1加至運放的反相輸入端,輸出電壓vo通過反饋電阻Rf反饋到運放的反相輸入端,構成電壓并聯負反饋放大電路。
運放的同相端接地=0V,反相端和同相端虛短,所以也是0V,反相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Rf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Rf的電流是相同的。
根據歐姆定律:
Is= (Vs- V-)/R1 ………a
If= (V- - Vo)/Rf ……b
V- = V+ = 0 ………………c
Is= If ……………………d
求解后可能Vo== (-Rf/R1)*Vi
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。我們理解的就是理想放大器(其實在維修中和大多數設計過程中,把實際放大器當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“庖丁解牛”了。
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。
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