運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于各類型電子產(chǎn)品上面,用來對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行放大或衰減,使信號(hào)幅值達(dá)到一個(gè)合理的區(qū)間,供其它電路進(jìn)行比較或采樣。
差動(dòng)放大器具有一個(gè)普通放大器不具備的優(yōu)點(diǎn):可對(duì)一個(gè)或多個(gè)不共地的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),各個(gè)被測(cè)信號(hào)或放大器皆不受非等電位帶來的影響,使各個(gè)被信號(hào)與放大器之間繼續(xù)保持著“隔離”特性。但這個(gè)這么好的優(yōu)點(diǎn)卻沒有被儀器廠家重視。
目前絕大多數(shù)的示波器都無法對(duì)兩個(gè)以上不共地信號(hào)進(jìn)行同時(shí)檢測(cè),甚至只使用單通道時(shí)也無法直接測(cè)量非隔離的信號(hào),例如220V市電,或220V整流后的電壓,因?yàn)樘筋^的地跟交流電地線是通的,一測(cè)就是短路。假如前級(jí)采樣采用差動(dòng)放大器電路形式,此問題迎刃而解了。不過福祿克的示波表倒是支持測(cè)量不共地信號(hào),但它是不是用的差動(dòng)放大電路,我就沒去研究過了。
下圖是整流器電壓的采樣電路,根據(jù)科技先軀們的經(jīng)驗(yàn),當(dāng)兩輸入電阻相等,兩反饋電阻也相等時(shí)(姑且把同相端電阻也稱為反饋電阻),電路的放大比例為RF/RI,下圖為10/1000,即0.01倍,衰減型電路。
教科書上的公式推導(dǎo)過程我看來看去硬是看不明白,數(shù)學(xué)沒學(xué)好是我的硬傷,但我相信公式是正確的,因?yàn)槲矣梦易约旱睦斫夥绞接?jì)算過,也實(shí)驗(yàn)過,放大比例確實(shí)是RF/RI,下面我就分享一下我的推導(dǎo)方法,也是各電壓點(diǎn)的計(jì)算方法,但是要注意的是,這個(gè)計(jì)算方法是針對(duì)被測(cè)信號(hào)與放大器不共地的時(shí)候用的,在共地的時(shí)候計(jì)算法又不同,后面我會(huì)講到。
? ?圖中,受測(cè)電壓為540VDC,上正下負(fù)。
我們知道,運(yùn)放工作在放大區(qū)時(shí),正反輸入端電壓是相等的(理想狀態(tài)下完全一致,實(shí)際有少許偏差,偏差值由運(yùn)放品質(zhì)決定),即虛短,那受測(cè)信號(hào)的負(fù)載電流可以等效于右圖,我們由此計(jì)算出受測(cè)信號(hào)回路電流,540V/2000K=0.27MA,紅色箭頭為電流方向,OK。
我們還知道,運(yùn)放還有虛斷特性,即正反輸入端的電流幾乎為0,可以忽略不計(jì),那我們就可以斷定,流經(jīng)兩輸入電阻的電流與流經(jīng)兩反饋電阻的電流是一樣的,即4個(gè)電阻的電流都為0.27MA。因此我們可以算出反饋電阻的電壓為0.27MA*10K=2.7V,電流由下往上流,故同相輸入端電壓為-2.7V,因?yàn)樘摱蹋聪噍斎攵穗妷阂矠?2.7V,負(fù)反饋電阻電流由左向右流,即電阻電壓為左高右低,幅值2.7V,故輸出電壓比反向輸入端-2.7V還要低2.7V,即-5.4V。
如果用公式計(jì)算,放大比例為0.01,540*0.01=5.4V,由于是反相電路,還要加上負(fù)號(hào),即套用公式的算法和我自己的算法算出來的結(jié)果是一樣的,但我的算法更易懂(我個(gè)人是這認(rèn)為),并且能算出各點(diǎn)電壓,這在維修時(shí)可以很快判斷出哪個(gè)點(diǎn)電壓異常,從而較快發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn),提高維修效率。
有朋友說,輸出電壓等于兩輸入電壓相加(-2.7+(-2.7)=-5.4),這是不是加法器啊?這其實(shí)不是加法器,這個(gè)結(jié)果只是碰巧,因?yàn)檫@種電路兩反饋電阻相同。為了消除朋友的疑惑,我們看看下圖。
? ?我把負(fù)反饋電阻由10K改為1K,我們看看發(fā)生了什么?受測(cè)信號(hào)電流沒變,兩輸入端電壓也沒變,但輸出變了,因?yàn)榉答侂娮枳冃×耍答侂娮璧碾妷河?.7V變成0.27V(0.27MA*1K=0.27V)了,所以輸出變成-2.7+(-0.27)=-2.97V了。
所以,輸出電壓并不一定等于兩輸入端電壓和,當(dāng)然,但凡用到這種電路的人,都不輕易改變電路形態(tài),依舊保持兩輸入電阻,兩反饋電阻相等。
上面的計(jì)算方法僅對(duì)于受測(cè)信號(hào)與運(yùn)放不共地的情況下,如果受測(cè)信號(hào)跟運(yùn)放大有直接關(guān)系,計(jì)算方法跟普通放大器計(jì)算方面大致相同。看下圖
? ?圖中是個(gè)電流檢測(cè)電路,在負(fù)載回路中串入一小電阻,由小電阻兩端獲得微弱信號(hào),送到差動(dòng)放大器進(jìn)行10倍放大。
我們先來計(jì)算一下負(fù)載電流,12V/5.1Ω=2.35A,負(fù)載電阻電壓為2.35A*5Ω=11.76V(四舍五入),采樣電阻電壓為12-11.76=0.24V,反相放大10倍,結(jié)果應(yīng)為-2.4V,我們來驗(yàn)證一下。
先來確實(shí)同相端電壓,負(fù)載電阻電壓為11.76V,由此我們算出同相端電壓為11.76V/110*100=10.69V,由于虛短,反相端也是10.69V,負(fù)反饋電流為(12-10.69)V/10K=0.131MA,負(fù)反饋電阻電壓為0.131MA*100K=13.1V,左高右低,所以輸出電壓為10.69-13.1=-2.41V(多出0.01是因?yàn)榍捌谒纳嵛迦氲钠睿?jì)算結(jié)果與套用公式結(jié)果無異。還是那句話,通過測(cè)量各點(diǎn)電壓值正常與否能較快發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn),這就是理論的重要性。
我們知道,負(fù)載有輸入電阻,電源有輸出電阻,為什么帶負(fù)載時(shí)電壓為有所下降?就是電源的輸出電阻在作怪。而信號(hào),也會(huì)有輸出電阻。請(qǐng)看下圖。
? ?圖左是一個(gè)反相器,把前級(jí)送來的信號(hào)進(jìn)行反向放大,C極獲得與輸入信號(hào)頻率相同,相位相反,幅值為12V的信號(hào)。
但如果給輸出信號(hào)加個(gè)負(fù)載,阻值與C極電阻一樣,結(jié)果會(huì)怎樣呢?如圖右,我們看到,輸出信號(hào)頻率和相位沒變,但幅值變了為6V,足足少了一半,這就是信號(hào)輸出電阻(C極電阻)的影響。在電子電路路,經(jīng)常遇到這樣的情況,一些信號(hào)(或電壓)要去驅(qū)動(dòng)一些負(fù)載,但自身的輸出電阻因素,造成驅(qū)動(dòng)能力又不夠,無力去驅(qū)動(dòng)后級(jí)負(fù)載,怎么辦呢?這個(gè)時(shí)候,就要在驅(qū)動(dòng)源與后級(jí)負(fù)載之間加一級(jí)緩沖器了,如下圖所示。
? ?在驅(qū)動(dòng)源與負(fù)載之間加了個(gè)三極管,驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接拉B極,信號(hào)處在高電平時(shí),B極有電流流入,從E極流出,流過負(fù)載電阻,最后到地,但B極電流的流入,促使三極管迅速導(dǎo)通,產(chǎn)生C極電流,由于三極管有放大作用,C極電流=B基電流*放大倍數(shù),C極電流很大,使三極管達(dá)到飽和狀態(tài),E極電壓約為11.4V,只比B極電壓低0.6V,忽略此壓降的話,可看成VB=VE,因此保證了對(duì)負(fù)載電阻有足夠的電壓幅值,提高了驅(qū)動(dòng)能力。由于這種只放大電流驅(qū)動(dòng)能力,不放大電壓,VE隨VB而變,即射極電壓跟隨基極電壓而變,人們就把這個(gè)三極管電路稱為射極跟隨器,它也是射極跟隨器的鼻祖。后來運(yùn)放的出現(xiàn),就有了升級(jí)版的射極跟隨器,三極管版的,輸入輸出信號(hào)有0.6V壓差,但運(yùn)放版的壓差就小很多。下圖所示
? ?朋友們有沒有覺得很奇怪,講差動(dòng)放大器怎么又講到射極跟隨器來了?大家不要急,請(qǐng)聽我慢慢講。
上面講的兩個(gè)差動(dòng)放大電路,一個(gè)是衰減100倍的,一個(gè)是放大10倍的,那我們來個(gè)既不放大,也不衰減的,怎樣?看下圖。
? ?上面這電路有什么作用呢?電壓放大倍數(shù)為1,即不放大。而電流驅(qū)動(dòng)能力肯定是增強(qiáng)了,對(duì)了,它不就是射極跟器嗎?沒錯(cuò),其實(shí)它就是射極跟隨器,不放大電壓,只提高電流驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)然,電路叫什么名字并不重要,重要的是一定要知道它工作原理,這樣才能對(duì)維修能力有所幫助。
其實(shí)差動(dòng)放大器也有同相放大和反相放大,上面講的都是反相放大,當(dāng)受測(cè)信號(hào)的正是接放大器的正,就是同相放大,反之就反相放大,我們拿上面的電流檢測(cè)電路作一下改動(dòng),看下圖。
? ?我把采樣信號(hào)的正負(fù)對(duì)調(diào)了一下,電路就由反相放大變?yōu)橥喾糯罅耍?jīng)計(jì)算,放大器輸出電壓值仍是2.4V,但極性為正了。
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