运放的典型电路举例与计算仿真

运放电路的计算,通过记各种公式很难记住,但是掌握其两个重要概念,所有计算均可迎刃而解。

那就是运放的两个重要特性:

虚断:运放本质特性,输入阻抗大,两个输入端视为等效开路;

虚短:不是运放本身特性,深度负反馈的结果,两个输入端视为等电位。

 

1- 同相放大电路

 

同向反向输入端虚短: Vi = V- a

同向反向输入端虚断:流过R1 R2电阻的电流得:I = Vout/(R1+R2)  b

由于Vi=R2上的分压,即:Vi = I*R2  c

综合得出:

Vout=Vi*(R1+R2)/R2

这就是反向放大器的输入输出关系式。仿真如下:

  

 

2- 反相放大电路

同向输入端接地,根据虚短,所以反向端电位也是0V;

根据虚断,同向反向输入端均无电流输入,R1 R2电阻相当于串联,流过的电流是相同:

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)

求解代数方程得:

Vout = (-R2/R1)*Vi

这就是反向放大器的输入输出关系式。仿真如下:

 

3-加法器放大电路

根据虚断,流过R1 R2电流相等,同理流过R3 R4电流也相等;故:

(V1 – V+)/R1 = (V+ - V2)/R2  (a)

(Vout – V-)/R3 = V-/R4             (b)

根据虚短:V+ = V-                  (c)

假设R1=R2     R3=R4   则:

V+ = (V1 + V2)/2 V- = Vout/2  故:

Vout = V1 + V2

这就是同向加法放大器的输入输出关系。仿真如下:

 

4- 减法器放大电路

 

根据虚断:流过R1 R2电流相等,流过R3 R4的电流相等:

(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

根据虚短:V+ = V-       e

总上所述:Vout=V2-V1

这就是减法放大器。

 

 

5-积分电路

根据虚短:同向和反向输入端电平相等为0;

根据虚断:流过R1与流过C1的电流相等;

电阻i=V1/R1

电容i=C*dUc/dt=-C*dVout/dt

故: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

 

V1为恒定电压U,则上式变换为Vout = -U*t/(R1*C1) t 是时间)

Vout输出电压是一条从0至负电源电压按时间变化的直线。

 

6-微分电路

根据虚短:同向和反向输入端电平相等为0;

根据虚断:流过R1与流过C1的电流相等;

Vout = -i * R2 = -(R2*C1)dV1/dt

上述是一个微分电路

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。

 

7-差分放大电路

根据虚短:

Vx = V1            (a)

Vy = V2            (b)

根据虚断:R1 R2 R3为串联,流过的电路相等。

I=(Vx-Vy)/R2   (c)

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

根据虚断:流过R6 R7的电流相等,假如R6=R7

Vw = Vo2/2   e

同理若R4=R5,则Vout – Vu = Vu – Vo1,故:

Vu = (Vout+Vo1)/2  f

根据虚短: Vu = Vw  g    由(e)(f)(g)得:

Vout = Vo2 – Vo1  h      由(d)(h)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

 

8-电压跟随电路

如下所示为利用放大器搭建的电压跟随电路,测量电压大小:

 

此电路目的是测量电池电压,电池电压范围(3~4.2V)分压后最大电压为2.1V 属于3.3V电源电压下的输入范围;

仿真如下:

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