原创 运算放大器的熟练运用-6个经典的高级电路

2023-3-19 20:57 2855 22 11 分类: 模拟 文集: 电路模块

前一篇文章讲了运算的一般分析计算方法。

其中,重点提到了运放分析的两把“板斧”------“虚短”和“虚断”,有了这两个基本概念,再结合常用的欧姆定律,基尔霍夫电流,电压定律基本就可以解决大多数问题了。

我们现在可以用这个工具进行更复杂的电路的分析了。

先看上图,分析如下:

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

(V1 – V-)/R4 = (V- - Vout)/R3

如果 R1=R2, 则 V+ = V2/2

如果 R3=R4, 则 V- = (Vout + V1)/2

由虚短知 V+ = V-

所以 Vout=V2-V1

这样,我们就设计了一个新的减法器了。


 

再看上图,分析如下:

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

这样,我们就设计了一个新的积分电路了。

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。

 

对于上面这个电路,对于新手来说,不太好理解,那我们也可以简单仿真分析一下。

首先,来搭建一个积分电路

如下图,仿真结果在右边,对着图形分析就比较容易了。示波器上面蓝色的方波是信号发生器产生的,下面的锯齿波就是通过积分电路后的波形。


再看上图,分析如下:

图中由虚断知,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。

所以有:Vout = -i * R2 = -(R2*C1)dV1/dt

因此,我们这里设计了一个微分电路。

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。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


为了获得高共模抑制比,一般取Rf=R,然后根据电压增益选择R1、R2。

电压增益A=1+2R1/R2

电压增益定了,R2也定了,就可以根据R2定制R1

电路的详细分析如下:

 

再看上图,分析如下:

上图中,由虚短知 Vx = V1 Vy = V2

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

则:Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3) = (Vx-Vy)(R1+R2+R3)/R2

由虚断知,流过 R6 与流过 R7 的电流相等,若 R6=R7,则Vw = Vo2/2

同理若 R4=R5,则 Vout – Vu = Vu – Vo1,故 Vu = (Vout+Vo1)/2

由虚短知,Vu = Vw

由以上三式子很容易得到 Vout = Vo2 – Vo1

进而可以求得 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。

这样,就设计了一个差分放大电路了。

 

 

再看上图,分析如下:

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

上图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 (V1-Vx)/R2 = (Vx-Vout)/R4

由虚短知:Vx = Vy

电流从 0~20mA 变化,则 V1 = V2 + (0.4~2)

由上面式子代入得(V2 + (0.4~2)-Vy)/R2 = (Vy-Vout)/R4

如果 R3=R2,R4=R5,

则得到 Vout = -(0.4~2)R4/R2

图中 R4/R2=22k/10k=2.2,

则式 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。完整的过程就是这样的

 

再看上图,分析如下:

电流可以转换成电压,电压也可以转换成电流。

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,不要以为是一个比较器。

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

同理 (V3 – V2)/R5 = V2/R4

由虚短知 V1 = V2

如果 R2=R6,R4=R5,则由式得 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。

 

两篇文章下来,我们分析了将近10个运放的电路,并且部分电路通过仿真进一步分析,可以看出,只要掌握了正确的方法,更复杂的电路也可以一步一步的分析出来。

 

作者: 启芯硬件, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-443713.html

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jslrj 2023-6-3 11:12

学习了
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