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。為此本人特搜羅天下運放電路之應用,來個“庖丁解牛”,希望各位從事電路板維修的同行,看完后有所收獲。遍觀所有模擬電子技朮的書籍和課程,在介紹運算放大器電路的時候,無非是先給電路來個定性,比如這是一個同向放大器,然后去推導它的輸出與輸入的關系,然后得出Vo=(1+Rf)Vi,那是一個反向放大器,然后得出Vo=-Rf*Vi……最后學生往往得出這樣一個印象:記住公式就可以了!如果我們將電路稍稍 變換一下,他們就找不著北了!偶曾經面試過至少100個以上的大專以上學歷的電子專業應聘者,結果能將我給出的運算放大器電路分析得一點不錯的沒有超過10個人!其它專業畢業的更是可想而知了。
今天,芯片級維修教各位戰無不勝的兩招,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?!疤摱獭笔侵冈诜治鲞\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。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。
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 ……bV- = V+ = 0 ……cI1 = 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。
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) ……bVi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 = ( 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。
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(V1 – 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出V+ = (V1 + V2)/2V- = 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(V2 – V+)/R1 = V+/R2 ……a(V1 – 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,由虛短知,
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對應一個方向與V1相反的脈沖。
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原文標題:模電的虛斷和虛短
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