運放電路

由運算放大器組成的電路，簡稱為運放電路。

這些電路可以說是五花八門，是我們學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)的一個重要內(nèi)容，更是一個電子工程師必須掌握的電路之一。運放電路有多種類型，是不是我們把它們牢牢記住就行了呢?

不是!畢竟電路是會變的，換個套路你如果就不會，這樣就沒有意義了。正確的打開方式還是應(yīng)該理解它，消化它。

在分析運放電路工作原理時，首先請忘掉什么同向放大、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，因為理解了理想放大器，多數(shù)情況是夠用的

現(xiàn)在，通過兩招就能解決大部分運放問題，并且，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。

基于這一理論，我們通過4個經(jīng)典電路，來快速掌握運算的分析方法!

關(guān)于虛短和虛斷

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 80dB 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。我們用這樣的反推來理解虛短的概念。

“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。(輸入差模電壓不大于1mv)

如何理解“虛斷”呢?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?？砂堰\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(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。(差模輸入電阻無窮大)

好了，概念就介紹到這里，我們來用以上的理論，來分析幾個案例，看是否好使?

第一個案例：

由上圖，分析如下：

首先，根據(jù)虛短，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

其次，根據(jù)虛斷，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

流過 R2 的電流 I2 = (V- - Vout)/R2

V- = V+ = 0

I1 = I2

求解上面的代數(shù)方程

Vout = (-R2/R1)*Vi

這樣，我們就設(shè)計了一個最經(jīng)典的反向比例放大器

第二個案例：

再看上圖，分析如下：

Vi 與 V- 虛短，則 Vi = V-

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)

Vi 等于 R2 上的分壓， 即：Vi = I*R2

由上面式子得

Vout=Vi*(R1+R2)/R2

這樣，我們就設(shè)計了一個同向放大器。

第三個案例：

再看上圖，分析如下：

由虛短知：V- = V+ = 0

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

聯(lián)立上面兩個式子很容易得到 V1/R1 + V2/R2 = Vout/R3

如果存在 R1=R2=R3，則上式變?yōu)?Vout=-(V1+V2)，

這樣，我們就設(shè)計了一個加法器啦。

我一直都認(rèn)為，實踐是學(xué)習(xí)的硬件電路知識最好的方法。但是，動手搭建電路很費時間，而設(shè)計原理圖打PCB板不僅花時間而且費錢，因此，折衷最好的方法就是仿真了。平心而論，只要模型準(zhǔn)確，實際上，仿真的結(jié)果是無限接近實際情況的。

況且，通常我們只是工程上設(shè)計，判斷趨勢，知道大體方向與數(shù)值即可。并不需要太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)果，因此，從這個方面來說，仿真大多數(shù)情況下，用來分析問題，是完全夠用的。

對于上面這個案例，我們仿真看看，先看簡單的，這個電路和上面的電路唯一不同的是加了平衡電阻

下面是R1=R2=R4的情況，可以看到結(jié)果是符合我們預(yù)期的，即VO=V1+V2，仿真圖例如下

下面是R2=R4 R1=3*R2的情況，可以看到結(jié)果也是符合我們預(yù)期的，即VO=3*(V1+V2)，仿真圖例如下

這個電路實際的應(yīng)用電路，比如用OP07C搭建的低頻噪聲放大電路，如下圖

這個電路，比上面講過的電路稍微復(fù)雜，但基本的分析原理是一樣的。大家，可以試著計算一下輸出公式。

再看上圖，分析如下：

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。

所以，很容易推出，(V1–V+)/R1 = (V+ - V2)/R2

(Vout – V-)/R3 = V-/R4 ……b

然后，再由虛短知：V+ = V-

如果 存在條件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

這樣，我們就設(shè)計了一個新的加法器。

由上面四個例子，我們可以看到基本的運算放大器電路，無論電路的形式、連接如何變化，但只要掌握了基本的原理，虛短和虛斷，運放的電路基本都可以迎刃而解!

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審核編輯：黃飛

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