经典运放电路详细分析（模拟电子技术）

运放电路

何为运放电路？？？由运算放大器组成的电路，简称为运放电路。这些电路可以说是五花八门，是我们学习模拟电子技术的一个重要内容，更是一个电子工程师必须掌握的电路之一。运放电路有多种类型，是不是我们把它们牢牢记住就行了呢？？显然不是啦！作为知识的搬运工，我很不建议大家这样做啦！毕竟电路是会变的，换个套路考你就懵逼了，所以学习运放还是应该理解它，消化它。其实，运放也没想象的那么难啦！今天，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。 只要我们熟练掌握“虚短”和“虚断”两个”小武器”，就能在沙场上将“运放”这个敌人打败啦！

虚短和虚断

“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。（输入差模电压不大于1mv）
“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。（差模输入电阻无穷大）

运放电路类型

下面给大家详细讲解几种经典的运放电路，让大家能对运放电路有一个深入的理解。

1.反向运算电路

分析： Vi输入信号，R2反馈电阻，Vout输出信号
由虚短，得V-=V+=0;
因此，流经R1电流Ir1=(Vi-V-)/R1=Vi/R1
由虚断，得Ir1=I2;I2=-Vout/R2；
所以Vout=-Vi*R2/R1
这就是传说中的反向放大器分析过程啦！！是不是很简单啊？？哈哈

2.同向运算电路

分析：Vi输入信号，R1反馈电阻，Vout输出信号
由虚短，得Vi=V-;
再根据虚断，可知R1,R2可近似看成串联，则流经R1,R2的电流相等，即Ir1=Ir2；
(Vout-V-)/R1=V-/R2即(Vout-Vi)/R1=Vi/R2；故Vout=ViR1/R2-Vi=Vi(R1/R2-1);
认真看看，这个电路是不是跟之前分析得反向放大电路只差一个符号呢？？没错，这就是同向放大器，是不是很惊喜，很简单呢？哈哈哈！！

3.加法运算电路


先分析图三，V1,V2输入信号，R3反馈电阻，Vout输出电压
由虚短，得V-=V+=0;
由虚断，可知流经R1,R2和R3电流分别为Ir1=V1/R1;Ir2=V2/R2;Ir3=-Vout/R3；
再根据基尔霍夫电流定律，可知流经R3得电流等于Ir1+Ir2
所以，Ir3=Ir1+Ir2即-Vout/R3=V1/R1+V2/R2，若取R1,R2,R3值相同，则-Vout=V1+V2;

再分析图四，V1,V2输入信号，R3反馈电阻，Vout输出电压
由虚断，我们可以知道R3,R4串联，流过电流相等，即Ir3=Ir4=Vout/R3+R4;
所以，V-=Ir4R4=VoutR4/R3+R4;
由虚短可知，V-=V+;即V+=VoutR4/R3+R4;
再根据虚断，我们同样可以知道R1,R2串联，流过电流相等，即Ir1=Ir2
所以，(V1-VoutR4/R3+R4)/R1=-(V2-Vout*R4/R3+R4)/R2;
如果R1=R2,R3=R4,则V1+V2=Vout；
顾名思义这两个电路就是电压加法器，简称加法运算电路。

4.减法运算电路

分析：Vi1，Vi2输入信号，Rf反馈电阻，Vo输出信号
由虚断可知，R3和R2，R1和Rf可近似看成串联，则流经其电阻电流Ir2=Ir3;Ir1=If;即{(Vi2-V+)/R2=V+/R3; (Vi1-V-)/R1=(V- -Vo)/Rf} ;----------a
由虚短得，V-=V+;----------b
很明显就是解初中学到二元一次方程组，要是这都不会，我劝你还是尽早放弃啦啊啊！！！
假设以上电阻阻值相等，则联立ab两式，解得Vo=Vi2-Vi1；

5.积分运算电路

分析：
由虚短可知，V+=V-=0;
再根据虚断，得Ir1=Ic1=(V1-V-)/R1=C1*d(Vc1)/dt=-C1 d(Vout)/dt;
所以， Vout=((-1/(R1C1))∫V1dt
显然这是我们高中所学的积分，故这就是我们需要掌握的积分运放电路

6.微分运算电路

分析：
由虚短，得V+=V-=0;
流经C1的电流Ic1=d(Vc1)/dt/C1=d(V1)/dt/C1;
由虚断，得Ic1=Ir2=-Vout/R2；
所以，Vout= -（d(V1)/dt/(C1*R2))
显然，这是我们高中所学微分，故这就是传说中的微分运放电路

7.差分运算电路

分析：
由虚短，得V1=Vx；V2=Vy；所以流经R2电流Ir2=（Vx-Vy)/R2=（V1-V2)/R2;
由虚断，可知R1，R2，R3可近似看成串联，所以Vo1=V1-(-Ir2*R1)=V1+(V1-V2)R1/R2,同理可得Vo1=V2-(Ir2R3)=V2-(V1-V2)*R3/R2--------a；R6,R7也可近似看成串联，则Vw=Vo2/(R6+R7)R7--------b；R4,R5也可近似看成串联，则Vv=(Vo1-Vout)(R5/(R4+R5))----------c;
再由虚短，得Vw=Vv--------d；
联立a b c d式，解得Vout=Vo1-Vo2= (Vy –Vx)(R1+R2+R3)/R2；该结果我们可以知道，这是一个差分放大运算电路，因为(R1+R2+R3)/R2是定值，所以 (Vy –Vx)决定了放大的倍数；

8.电流检测电路

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。故：
当电流流经R1时，在其两端产生了电位差，分别为V1和V2;
由虚断可知，R2和R4可近似看成串联，所以(V1-Vx)/R2=(Vx-Vout)/R4--------a;
R3和R5也可近似看成串联，所以(V2-Vy)/R3=Vy/R5---------b;
再由虚短，得Vx=Vy--------c；
从0-20mA变化，则V1 =V2 + (0.004~0.020)*100=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，
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。
注：若将图九电流反接既得 Vout = +(0.88~4.4)V，

9.电压检测电路

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。

10.对数运算电路


二极管电流公式:iD=Is*（e^(VD/VT)-1）
三极管集电极电流公式:iT=Is*(e^(VBE/VT)-1)

分析图一:
由虚断，可知iI=iC=iD=Vi/R;
由虚短，得Vd=Vo;
iD=Is*（e^(VD/VT)-1)
≈Ise^(VD/VT)
=Ise^(-Vo/VT)
=Vi/R;
当VD>>VT时，Vo≈ -VTln（Vi/RIs）

分析图二:
由虚断，可知iI=iC=iE=Vi/R;
由虚短，得VBE=-Vo;
iE=Is*（e^(VBE/VT)-1)
≈Ise^(VBE/VT)
=Ise^(-VBE/VT)
=Vi/R;
当VD>>VT时，Vo≈ -VTln（Vi/RIs）

综合上述分析，我们可以知道这两个电路都是对数运算电路

总结

经过对以上的详细分析，是不是对运放电路有了深刻的认识呢？可以电路五花八门，多种多样，我们不仅仅要有深刻的认识，更重要的是要学到分析的方法，这样我们才能游刃有余。讲的不好的地方，多多谅解啦！！！我只是一名很普通的知识搬运工！！！