基本放大器电路，希望对各位有用。

zxq6 · 发表于 2009-4-13 20:40:58

运算放大器组成的电路五花八门，令人眼花瞭乱，是模拟电路中学习的重点。在分析它的工作原理时倘没有抓住核心，往往令人头大。为此本人特搜罗天下运放电路之应用，来个“庖丁解牛”，希望各位从事电路板维修的同行，看完后有所斩获。
遍观所有模拟电子技朮的书籍和课程，在介绍运算放大器电路的时候，无非是先给电路来个定性，比如这是一个同向放大器，然后去推导它的输出与输入的关系，然后得出Vo=(1+Rf)Vi，那是一个反向放大器，然后得出Vo=-Rf*Vi……最后学生往往得出这样一个印象：记住公式就可以了！如果我们将电路稍稍变换一下，他们就找不着北了！偶曾经面试过至少100个以上的大专以上学历的电子专业应聘者，结果能将我给出的运算放大器电路分析得一点不错的没有超过10个人！其它专业毕业的更是可想而知了。
今天，芯片级维修教各位战无不胜的两招，这两招在所有运放电路的教材里都写得明白，就是“虚短”和“虚断”，不过要把它运用得出神入化，就要有较深厚的功底了。
虚短和虚断的概念
由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V～14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。
“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。
由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。
在分析运放电路工作原理时，首先请各位暂时忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、减法器，什么差动输入……暂时忘掉那些输入输出关系的公式……这些东东只会干扰你，让你更糊涂﹔也请各位暂时不要理会输入偏置电流、共模抑制比、失调电压等电路参数，这是设计者要考虑的事情。我们理解的就是理想放大器（其实在维修中和大多数设计过程中，把实际放大器当做理想放大器来分析也不会有问题）。
好了，让我们抓过两把“板斧”------“虚短”和“虚断”，开始“庖丁解牛”了。

(原文件名:1.jpg)
图一运放的同向端接地=0V，反向端和同向端虚短，所以也是0V，反向输入端输入电阻很高，虚断，几乎没有电流注入和流出，那么R1和R2相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的，即流过R1的电流和流过R2的电流是相同的。流过R1的电流I1 = (Vi - V-)/R1 ……a 流过R2的电流I2 = (V- - Vout)/R2 ……b V- = V+ = 0 ……c I1 = I2 ……d 求解上面的初中代数方程得Vout = (-R2/R1)*Vi 这就是传说中的反向放大器的输入输出关系式了。

(原文件名:2.jpg)
图二中Vi与V-虚短，则 Vi = V- ……a 因为虚断，反向输入端没有电流输入输出，通过R1和R2 的电流相等，设此电流为I，由欧姆定律得： I = Vout/(R1+R2) ……b Vi等于R2上的分压，即：Vi = I*R2 ……c 由abc式得Vout=Vi*(R1+R2)/R2 这就是传说中的同向放大器的公式了。

(原文件名:3.jpg)
图三中，由虚短知： V- = V+ = 0 ……a 由虚断及基尔霍夫定律知，通过R2与R1的电流之和等于通过R3的电流，故 (V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (Vout – V-)/R3 ……b 代入a式，b式变为V1/R1 + V2/R2 = Vout/R3 如果取R1=R2=R3，则上式变为Vout=V1+V2，这就是传说中的加法器了。

(原文件名:4.jpg)
请看图四。因为虚断，运放同向端没有电流流过，则流过R1和R2的电流相等，同理流过R4和R3的电流也相等。故 (V1 – V+)/R1 = (V+ - V2)/R2 ……a (Vout – V-)/R3 = V-/R4 ……b 由虚短知： V+ = V- ……c 如果R1=R2，R3=R4，则由以上式子可以推导出 V+ = (V1 + V2)/2 V- = Vout/2 故 Vout = V1 + V2 也是一个加法器，呵呵！

(原文件名:5.jpg)
图五由虚断知，通过R1的电流等于通过R2的电流，同理通过R4的电流等于R3的电流，故有 (V2 – V+)/R1 = V+/R2 ……a (V1 – V-)/R4 = (V- - Vout)/R3 ……b 如果R1=R2，则V+ = V2/2 ……c 如果R3=R4，则V- = (Vout + V1)/2 ……d 由虚短知 V+ = V- ……e 所以 Vout=V2-V1 这就是传说中的减法器了。

(原文件名:6.jpg)
图六电路中，由虚短知，反向输入端的电压与同向端相等，由虚断知，通过R1的电流与通过C1的电流相等。通过R1的电流 i=V1/R1 通过C1的电流i=C*dUc/dt=-C*dVout/dt 所以 Vout=((-1/(R1*C1))∫V1dt 输出电压与输入电压对时间的积分成正比,这就是传说中的积分电路了。若V1为恒定电压U，则上式变换为Vout = -U*t/(R1*C1) t 是时间，则Vout输出电压是一条从0至负电源电压按时间变化的直线。

(原文件名:7.jpg)
图七中由虚断知，通过电容C1和电阻R2的电流是相等的，由虚短知，运放同向端与反向端电压是相等的。则： Vout = -i * R2 = -(R2*C1)dV1/dt 这是一个微分电路。如果V1是一个突然加入的直流电压，则输出Vout对应一个方向与V1相反的脉冲。

(原文件名:8.jpg)
图八.由虚短知 Vx = V1 ……a Vy = V2 ……b 由虚断知，运放输入端没有电流流过，则R1、R2、R3可视为串联，通过每一个电阻的电流是相同的，电流I=(Vx-Vy)/R2 ……c 则： Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3) = (Vx-Vy)(R1+R2+R3)/R2 ……d 由虚断知，流过R6与流过R7的电流相等,若R6=R7，则Vw = Vo2/2 ……e 同理若R4=R5，则Vout – Vu = Vu – Vo1，故Vu = (Vout+Vo1)/2 ……f 由虚短知，Vu = Vw ……g 由efg得 Vout = Vo2 – Vo1 ……h 由dh得 Vout = (Vy –Vx)(R1+R2+R3)/R2 上式中(R1+R2+R3)/R2是定值，此值确定了差值(Vy –Vx)的放大倍数。这个电路就是传说中的差分放大电路了。

(原文件名:9.jpg)
分析一个大家接触得较多的电路。很多控制器接受来自各种检测仪表的0~20mA或4~20mA电流，电路将此电流转换成电压后再送ADC转换成数字信号，图九就是这样一个典型电路。如图4~20mA电流流过采样100Ω电阻R1，在R1上会产生0.4~2V的电压差。由虚断知，运放输入端没有电流流过，则流过R3和R5的电流相等，流过R2和R4的电流相等。故： (V2-Vy)/R3 = Vy/R5 ……a (V1-Vx)/R2 = (Vx-Vout)/R4 ……b 由虚短知： Vx = Vy ……c 电流从0~20mA变化，则V1 = V2 + (0.4~2) ……d 由cd式代入b式得(V2 + (0.4~2)-Vy)/R2 = (Vy-Vout)/R4 ……e 如果R3=R2，R4=R5，则由e-a得Vout = -(0.4~2)R4/R2 ……f 图九中R4/R2=22k/10k=2.2，则f式Vout = -(0.88~4.4)V，即是说，将4~20mA电流转换成了-0.88 ~ -4.4V电压，此电压可以送ADC去处理。

(原文件名:10.jpg)
电流可以转换成电压，电压也可以转换成电流。图十就是这样一个电路。上图的负反馈没有通过电阻直接反馈，而是串联了三极管Q1的发射结，大家可不要以为是一个比较器就是了。只要是放大电路，虚短虚断的规律仍然是符合的！
由虚断知，运放输入端没有电流流过，
则 (Vi – V1)/R2 = (V1 – V4)/R6 ……a
同理 (V3 – V2)/R5 = V2/R4 ……b
由虚短知 V1 = V2 ……c
如果R2=R6，R4=R5，则由abc式得V3-V4=Vi
上式说明R7两端的电压和输入电压Vi相等，则通过R7的电流I=Vi/R7，如果负载RL<<100KΩ，则通过Rl和通过R7的电流基本相同。

(原文件名:11.jpg)
来一个复杂的，呵呵！图十一是一个三线制PT100前置放大电路。PT100传感器引出三根材质、线径、长度完全相同的线，接法如图所示。有2V的电压加在由R14、R20、R15、Z1、PT100及其线电阻组成的桥电路上。Z1、Z2、Z3、D11、D12、D83及各电容在电路中起滤波和保护作用，静态分析时可不予理会，Z1、Z2、Z3可视为短路，D11、D12、D83及各电容可视为开路。由电阻分压知， V3=2*R20/(R14+20)=200/1100=2/11 ……a 由虚短知，U8B第6、7脚电压和第5脚电压相等 V4=V3 ……b 由虚断知，U8A第2脚没有电流流过，则流过R18和R19上的电流相等。 (V2-V4)/R19=(V5-V2)/R18 ……c 由虚断知，U8A第3脚没有电流流过， V1=V7 ……d 在桥电路中R15和Z1、PT100及线电阻串联，PT100与线电阻串联分得的电压通过电阻R17加至U8A的第3脚， V7=2*(Rx+2R0)/(R15+Rx+2R0) …..e 由虚短知，U8A第3脚和第2脚电压相等， V1=V2 ……f 由abcdef得， (V5-V7)/100=(V7-V3)/2.2 化简得 V5=(102.2*V7-100V3)/2.2 即 V5=204.4(Rx+2R0)/(1000+Rx+2R0) – 200/11 ……g 上式输出电压V5是Rx的函数我们再看线电阻的影响。Pt100最下端线电阻上产生的电压降经过中间的线电阻、Z2、R22，加至U8C的第10脚，由虚断知， V5=V8=V9=2*R0/(R15+Rx+2R0) ……a (V6-V10)/R25=V10/R26 ……b 由虚短知， V10=V5 ……c 由式abc得 V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/[2.2(1000+Rx+2R0)] ……h 由式gh组成的方程组知，如果测出V5、V6的值，就可算出Rx及R0，知道Rx，查pt100分度表就知道温度的大小了。

googse · 发表于 2009-4-13 21:08:02

标记

wajlh · 发表于 2009-4-13 21:08:47

JIHAO

xiaoyuanlu · 发表于 2009-4-13 21:21:37

顶一个！

ch2003_23 · 发表于 2009-4-13 21:35:11

不错谢谢

rei1984 · 发表于 2009-4-13 22:00:13

最近就是打算复习运放这块！！lz太感谢了！！！

但是还有几个选型的概念不知道lz能否通俗的说一下
1.运算放大器
2.仪表放大器
3.轨对轨放大器
4.LM324算是一般超级常用的放大器，算哪种？？

还有另外一些概念希望lz有空给大家补课了！！太感谢了

zxq6 · 发表于 2009-4-13 22:40:31

我也是近几天恶补了下，我来解释下，希望没说错。
1.所有的放大器都属于运算放大器
2.仪表放大器是输入阻抗比较高，偏置电流比较小，共模抑制比比较高的那种放大器
3.鬼对鬼，输出能够摆动到负输入和正输入的放大器。
4.只能算1吧。

bad_fpga · 发表于 2009-4-13 23:28:19

不错,学习了

touch-mcu · 发表于 2009-4-13 23:54:32

mark

lyqyjf · 发表于 2009-4-13 23:58:41

mark

过几天有空再消化

zcllom · 发表于 2009-4-14 00:37:42

转：
运放的两条黄金定律(golden rules)，在《the art of electronics》这本书中，有两条golden rule：

1、The output attempts to do whatever is necessary to make the voltage difference between the inputs zero.
1、无论输出端试图做什么，都是为了使输入端电压差值为0。

2、The inputs draw no current.
2、输入端没有电流流入。

One important note of explanation: Golden rule I doesn't mean that the opamp acturally changes the voltage at its inputs.It can't do that.(How could it,and be consistent with golden rule Ⅱ?) What it does is "look" at its input terminals and swing its output terminal around so that the external feedback network brings the input differential to zero (if possible)
并不是说运放可以改变其输入电压，它根本做不到这一点，它所做的仅是“盯”住输入电压，而调整输出电压，通过外部反馈网络，使输入端电压差为0。明白了吗？总之一句话：如果运放存在一个外部反馈网络，则输出端所做的就是使输入端电压差为0。

hexenzhou · 发表于 2009-4-14 08:13:17

mark

要慢慢消化。

zchong · 发表于 2009-4-14 08:22:05

公式里有些符号问题

mysky · 发表于 2009-4-14 08:28:53

不错，正在复习魔电。

ywl0409 · 发表于 2009-4-14 08:41:37

从理论上讲,运放没有什么难度,关键就是虚短和虚断.

但是从实际的应用来说,就会有很多其他器件本身的因素了.

zhuzi1441 · 发表于 2009-4-14 08:43:18

mark 学学

kalo · 发表于 2009-4-14 08:51:16

cool！

gaj8 · 发表于 2009-4-14 10:09:23

cool！

erxun · 发表于 2009-4-14 10:31:28

这个资料很实在~

jofe · 发表于 2009-4-14 10:51:13

记得老师讲过。先留号，有空再补习~~~

deadleon · 发表于 2009-4-14 10:51:36

mark一下,早晚要复习一下

ylei12 · 发表于 2009-4-14 14:16:52

通俗易懂，简单实用，很不错，好像图三中的符号错了吧。
(V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (V- – Vout)/R3 ……b

xiejun · 发表于 2009-4-14 14:18:09

留名...

hnrain · 发表于 2009-4-14 14:25:16

好东西呀。！！
　　支持个。。！！！

hnrain · 发表于 2009-4-14 14:27:02

楼主好。。！！
　有个地方不明白。！！
　　

图三中：(V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (Vout – V-)/R3

为什么不是(V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (V-　-Vout)/R3 ？？？？

Feeling_MCU · 发表于 2009-4-14 14:38:24

很早以前看到过这样的资料，但是一碰到复杂的运放电路就比较难搞了

zyje1 · 发表于 2009-4-14 15:02:14

不错，图像好清晰

cuikai12345 · 发表于 2009-4-14 15:08:20

不错好东西呀

yin66 · 发表于 2009-4-14 15:11:15

mark

0712 · 发表于 2009-4-14 16:28:45

MARK

zhao431431 · 发表于 2009-4-14 20:41:38

MARK.

wahaha · 发表于 2009-4-14 20:55:22

同25楼，看到复杂的就有点晕了

822690a · 发表于 2009-4-15 14:24:32

这个资料曾经看过。图3 的确有误。请楼主有空的时候修改吧!

kingdefei · 发表于 2009-4-15 19:09:51

不错，图三确实少了个负号

cgbabc · 发表于 2009-4-15 20:18:35

最近猛读模电,支持一个

pengliang983 · 发表于 2009-4-15 21:41:26

mark

caixiong · 发表于 2009-4-15 21:44:37

mack

zrx737 · 发表于 2009-4-15 22:05:31

明天早上来看

iiset · 发表于 2009-4-16 19:45:34

mark

szxszx · 发表于 2009-4-16 20:22:55

放大器基础普及，谢谢！

illusion · 发表于 2009-4-16 20:56:12

学习学习~~~~~

ts10606 · 发表于 2009-4-16 22:00:38

mark

passer · 发表于 2009-4-17 16:25:17

很好的资料.

rei1984 · 发表于 2009-4-24 14:04:12

今天再次学习本帖子。发现了一个问题！

就如图1：
运放的同项端和反项端对换，公式还是不会变化的，不知道行不行的？？

如果行的话，下面的所有电路的同项端和反向端就是一样可以互换的吗？？？是不是在设计上要注意什么原则，比如要接GND的话，就优先使用同项端？？

qzzz · 发表于 2009-4-24 19:32:59

我终于知道了，原来电路要这么学的！谢谢楼主！

cu_ice · 发表于 2009-4-24 23:03:41

好东西,正在看图纸,有放大器的看不明白,刚好楼主就送教程来了

rei1984 · 发表于 2009-4-24 23:40:42

今天再次学习本帖子。发现了一个问题！

就如图1：
运放的同项端和反项端对换，公式还是不会变化的，不知道行不行的？？

如果行的话，下面的所有电路的同项端和反向端就是一样可以互换的吗？？？是不是在设计上要注意什么原则，比如要接GND的话，就优先使用同项端？？

tdscdma · 发表于 2009-4-28 10:37:31

...接同相和反相端是正反馈和负反馈的问题啊

leochou08 · 发表于 2009-4-28 12:04:14

mark~

qxs5264 · 发表于 2009-4-28 13:04:17

醍醐灌顶也！并且通俗易懂。。。

knight_avr · 发表于 2009-4-28 14:55:25

MARK

heero · 发表于 2009-4-29 00:55:55

标记

ajoe · 发表于 2009-4-29 09:26:05

学习了，就是因为不懂模电被人家鄙视了一下，补习

lvwang2002 · 发表于 2009-4-29 09:43:13

MARK下

wangff2531 · 发表于 2009-4-29 10:54:18

标记

leafing · 发表于 2009-4-29 11:07:18

记号~

rkfch · 发表于 2009-4-29 13:53:18

学习了

feiyang007 · 发表于 2009-5-2 01:50:02

好，先顶了再看！！嘿嘿正需要呢

zwc58 · 发表于 2009-5-2 08:27:52

谢谢，好东西。学习了。

liriver · 发表于 2009-5-8 23:39:11

第一次感觉模电不是很难

xfyrp · 发表于 2009-5-9 10:05:54

好东西，标记一下

michael_9951 · 发表于 2009-5-9 10:41:01

标记

TshingZhang · 发表于 2009-5-9 14:08:15

厉害了

lionliu · 发表于 2009-5-9 18:14:30

good

cyr_hongfeng · 发表于 2009-5-12 14:44:24

做个记号，虚短虚断还是懂的

jishanlaike · 发表于 2009-5-13 12:48:05

mark

Ethen · 发表于 2009-5-13 13:05:14

MARK~~

jishanlaike · 发表于 2009-5-13 14:09:05

very good！！！

图11中
如果负载RL<<100KΩ，则通过Rl和通过R7的电流基本相同。

是什么意思？？？

另外，我觉得输出电流不但受到I = Vi/R7的作用，还受到正反馈电路的影响，不知在V4和R6之间串入射随器如何？？
还有在Vi之前也加射随器，强化电路！！！！！！

lgnewnew · 发表于 2009-7-9 21:23:33

很好，等学到这里回头看

stefgq · 发表于 2009-7-9 21:37:59

标记

coslight_dt · 发表于 2009-7-9 21:44:51

MARK

ForkEureka · 发表于 2009-7-9 22:10:46

如果这样的帖子都不顶，那就没有什么帖子好顶了。

楼主辛苦了。严重慰问加感谢。

kugel · 发表于 2009-7-9 23:07:29

mark

luld · 发表于 2009-7-9 23:53:22

mark

sunkmsr · 发表于 2009-7-10 02:05:58

楼主辛苦,谢谢分享.

Avenue · 发表于 2009-7-10 09:20:13

mark后，认真阅读，并做笔记

yijingkun · 发表于 2009-7-10 10:41:08

好文章啊！茅塞顿开，不过还得花点时间消化！多谢lz！

ozo · 发表于 2009-7-10 13:11:13

好文章。我也电子专业的，对模拟电路还真是一窍不通…………努力学习才得啊

PWZH · 发表于 2009-7-11 10:59:23

mark

s798570790 · 发表于 2009-7-13 09:46:52

好东东，顶一个！！

seawind319 · 发表于 2009-7-13 15:41:06

谢谢分享

mayis · 发表于 2009-7-14 10:56:54

mark

tiger1125 · 发表于 2009-7-14 11:19:56

很不错的文章，谢谢lz的努力

asunkaka · 发表于 2009-7-21 17:21:23

很好，很强大，最近刚好在学这，谢谢楼主

gaohq · 发表于 2009-7-23 15:21:27

好！楼主再谈谈电流反馈型，电压反馈型。图10中的那个三极管选型很重要，最好用MOSFET.

shwp · 发表于 2009-7-24 08:35:44

song1km · 发表于 2009-7-24 09:08:04

标。。。

hassim · 发表于 2009-7-24 10:19:16

很好的资料.

duqinglin · 发表于 2009-7-24 10:24:46

mark

jchqxl · 发表于 2009-7-24 14:56:23

很好的运放学习资料，感谢LZ。

Forever.c · 发表于 2009-7-24 17:56:02

很好的资料

wzy20040321 · 发表于 2009-8-3 10:37:19

ddcour · 发表于 2009-8-3 20:06:22

详细！多谢！！

zhames · 发表于 2009-8-3 20:59:02

good!

myth3450 · 发表于 2009-8-4 11:21:26

好资料，通俗易懂。图10中这句话怎么理解（如果负载RL<<100KΩ，则通过Rl和通过R7的电流基本相同。）

myth3450 · 发表于 2009-8-4 11:34:51

楼主以及各位能不能帮忙分析下这个电路！点击此处下载 ourdev_467348.xls(文件大小:86K) (原文件名:回路图.xls)

2nd090215 · 发表于 2009-8-4 15:33:34

标记

anxiangbo · 发表于 2009-8-4 16:49:13

记号

likedev · 发表于 2009-8-4 20:32:36

顶了！楼主辛苦！

beer · 发表于 2009-8-4 20:49:10

留名，用得着。。

基本放大器电路，希望对各位有用。

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