用”虚短“和”虚断“分析运放电路

运算是模拟电路中十分重要的元件,它能组成放大、加法、减法、转换等各种电路,如何能更快更正确的分析运放电路,其实是不难的。那就是运用运放的“虚短”和“虚断”来分析电路,然后应用欧姆定律等电流电压关系,即可得输入输出的放大关系等。

下面简单说明如何应用”虚短“和”虚断“分析运放电路。

1.什么是虚短和虚断

“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。

 “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。

2.为什么可以这么看?

1).为什么可以看成虚短?

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。

简而言之,就是说由于运放放大倍数太大了,但是放大后的电压(输出)是有限的(比较小)。那么,输入电压就很小了,接近于0。等价于两个输入端的压差为0,也就是等电位。

2).为什么可以看成虚断?

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。 

3.比例运算

(1)反向放大器

用”虚短“和”虚断“分析运放电路_第1张图片

在反相放大电路中,信号电压通过电阻R1加至运放的反相输入端,输出电压Vo通过反馈电阻Rf反馈到运放的反相输入端,构成电压并联负反馈放大电路。

运放的同相端接地,那么此处的电压为0V。由于反相端和同相端虚短,所以也是0V。同时,反相输入端输入电阻很高,这样也就是虚断,几乎没有电流注入和流出运放,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。

根据欧姆定律:

I1= (Vi- V-)/R1 ………a 

I2= (V- - Vo)/R2 ……b 

V- = V+ = 0 ………………c 

I1= I2 ……………………d 

求解后可能Vo== (-R2/R1)*Vi 

 

注意:

  • 在分析电路的过程中,暂时不用管运放的其他特性,就根据虚短和虚断的特性来分析。
  • 当然,若运放不工作在放大区时,不满足虚短和虚断发条件,不能使用此种方法来分析。如比较器。

(2).同向放大器

用”虚短“和”虚断“分析运放电路_第2张图片

在同相放大器中,我们按照 同理来分析,信号电压直接接入至运放的同相输入端,输出电压Vout通过反馈电阻R1反馈到运放的反相输入端。

虚短:Vi=V-直接接入到R2上。有I1=Vi/R2

虚断:R1和R2构成串联电路。I2=Vout/(R1+R2)。

I1和I2是相等的,于是有:

Vi=Vout*R2/(R1+R2)

 

4.积分放大电路

用”虚短“和”虚断“分析运放电路_第3张图片

虚短:

这里V-=V+=0v ,流过R1的电流为(V1-V-)/R1

虚断:

这里R1和C1串联,流过C的电流为:C1*dUc/dt=C1*dVout/dt

则有:V1/R1=C1*dVout/dt

整理得到:

Vout=((-1/(R1*C1))∫V1dt

这就是传说中的积分放大电路。如果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。

5.微分放大电路

用”虚短“和”虚断“分析运放电路_第4张图片

虚短:

V-=V+=0,有通过电容C1的电流为:

C1*dV1/dt

虚断:

通过电容C1和电阻R2的电流是相等的,则有电流为:

(Vout-V-)/R2

整理得到:

 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。

6.差分运算(减法运算)

用”虚短“和”虚断“分析运放电路_第5张图片

7加法运算

 

总结:

  • 虚短是运放正输入端和负输入端的电压相等,近似短路;
  • 虚断是流入正负输入端的电流为0

     只要掌握了这一点,在运用欧姆定律,即可很容易的分析同相比例放大电路,反向比例放大电路等常用的运放放大电路。

个人总结:

感觉自己本科所学的模电数电知识太差了!!!!!

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