几种运算放大器(比较器)及经典电路的简单分析

('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=-RfVi……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80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14V。因此运放的差模输入电压不足1mV，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)引用图片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……bV-=V+=0……cI1=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)引用图片图二中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)……bVi等于R2上的分压，即：Vi=IR2……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)引用图片图三中，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)引用图片请看图四。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)/2V-=Vout/2故Vout=V1+V2也是一个加法器，呵呵！(原文件名:5.jpg)引用图片图五由虚断知，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)引用图片图六电路中，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=CdUc/dt=-CdVout/dt所以Vout=((-1/(R1C1))∫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=-Ut/(R1C1)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)引用图片图七中由虚断知，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=-iR2=-(R2C1)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)引用图片图八.由虚短知Vx=V1……aVy=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)引用图片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)引用图片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)引用图片来一个复杂的，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=2R20/(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=(102.2V7-100V3)/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=2R0/(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。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。单限比较器电路图2a给出了一个基本单限比较器。输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平UOH。图2b为其传输特性。图3为某仪器中过热检测保护电路。它用单电源供电，1/4LM339的反相输入端加一个固定的参考电压，它的值取决于R1于R2。UR=R2/（R1+R2）UCC。同相端的电压就等于热敏元件Rt的电压降。当机内温度为设定值以下时，“+”端电压大于“-”端电压，Uo为高电位。当温度上升为设定值以上时，“-”端电压大于“+”端，比较器反转，Uo输出为零电位，使保护电路动作，调节R1的值可以改变门限电压，既设定温度值的大小。迟滞比较器迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。前面介绍的单限比较器，如果输入信号Uin在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏）。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。图4a给出了一个迟滞比较器，人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的比较器。图4b为迟滞比较器的传输特性。不难看出，当输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值附近的干扰不超过ΔU之值，输出电压的值就将是稳定的。但随之而来的是分辨率降低。因为对迟滞比较器来说，它不能分辨差别小于ΔU的两个输入电压值。迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度，这是它的一个优点。除此之外，由于迟滞比较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。如果需要将一个跳变点固定在某一个参考电压值上，可在正反馈电路中接入一个非线性元件，如晶体二极管，利用二极管的单向导电性，便可实现上述要求。图5为其原理图。图6为某电磁炉电路中电网过电压检测电路部分。电网电压正常时，1/4LM339的U4<2.8V，U5=2.8V，输出开路，过电压保护电路不工作，作为正反馈的射极跟随器BG1是导通的。当电网电压大于242V时，U4>2.8V，比较器翻转，输出为0V，BG1截止，U5的电压就完全决定于R1与R2的分压值，为2.7V，促使U4更大于U5，这就使翻转后的状态极为稳定，避免了过压点附近由于电网电压很小的波动而引起的不稳定的现象。由于制造了一定的回差（迟滞），在过电压保护后，电网电压要降到242-5=237V时，U4UR2或Uin