運(yùn)算放大器組成的電路五花八門(mén)，令人眼花瞭亂，是模擬電路中學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。在分析它的工作原理時(shí)倘沒(méi)有抓住核心，往往令人頭大。為此本人特搜羅天下運(yùn)放電路之應(yīng)用，來(lái)個(gè)“庖丁解牛”，希望各位從事電路板維修的同行，看完后有所斬獲。
遍觀所有模擬電子技朮的書(shū)籍和課程，在介紹運(yùn)算放大器電路的時(shí)候，無(wú)非是先給電路來(lái)個(gè)定性，比如這是一個(gè)同向放大器，然后去推導(dǎo)它的輸出與輸入的關(guān)系，然后得出uo=(1+rf)ui，那是一個(gè)反向放大器，然后得出uo=-rf*ui……最后同學(xué)往往得出這樣一個(gè)印象：記住公式就可以了！如果我們將電路稍稍變換一下，他們就找不著北了！曾經(jīng)試過(guò)至少100個(gè)以上的大專以上學(xué)歷的電子專業(yè)應(yīng)聘者應(yīng)聘，結(jié)果能把給出的運(yùn)算放大器電路分析得一點(diǎn)不錯(cuò)的沒(méi)有超過(guò)10個(gè)人！其它專業(yè)畢業(yè)的更是可想而知了。
今天，芯片級(jí)維修教各位戰(zhàn)無(wú)不勝的兩招，這兩招在所有運(yùn)放電路的教材里都寫(xiě)得明白，就是“虛短”和“虛斷”，不過(guò)要把它運(yùn)用得出神入化，就要有較深厚的功底了。 虛短和虛斷的概念 由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 db以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在 10 v～14 v。因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mv，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于 “短路”。開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。
“虛短”是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。
由于運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般通用型運(yùn)算放大器的輸入電阻都在1mω以上。因此流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足1ua，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。故通?？砂堰\(yùn)放的兩輸入端視為開(kāi)路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開(kāi)路?！疤摂唷笔侵冈诜治鲞\(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開(kāi)路，這一特性 稱為虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。
在分析運(yùn)放電路工作原理時(shí)，首先請(qǐng)各位暫時(shí)忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、減法器，什么差動(dòng)輸入……暫時(shí)忘掉那些輸入輸出關(guān)系的公式……這些東東只會(huì)干擾你，讓你更糊涂﹔也請(qǐng)各位暫時(shí)不要理會(huì)輸入偏置電流、共模抑制比、失調(diào)電壓等電路參數(shù)，這是設(shè)計(jì)者要考慮的事情。（ )我們理解的就是理想放大器（其實(shí)在維修中和大多數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，把實(shí)際放大器當(dāng)做理想放大器來(lái)分析也不會(huì)有問(wèn)題）。
好了，讓我們抓過(guò)兩把“板斧”——“虛短”和“虛斷”，開(kāi)始“庖丁解牛”了。
一、反相比例運(yùn)算放大器
圖一，運(yùn)放的同向端接地=0v，反向端和同向端虛短，所以也是0v，反向輸入端輸入電阻很高，虛斷，幾乎沒(méi)有電流注入和流出，那么r1和rf相當(dāng)于是串聯(lián)的，流過(guò)一個(gè)串聯(lián)電路中的每一只組件的電流是相同的，即流過(guò)r1的電流和流過(guò)r2的電流是相同的。流過(guò)r1的電流
i1 = (ui -u-)/r1 ……a
流過(guò)r2的電流 i2 = (u- - uo)/r2 ……b
u- = u+ = 0 ……c
i1 = i2 ……d
求解上面的初中代數(shù)方程得 uo = (-rf/r1)*ui
這就是傳說(shuō)中的反向比例運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系式了。
二、同相比例運(yùn)算放大器
圖二中ui與u-虛短，則ui =u- ……a
因?yàn)樘摂啵聪蜉斎攵藳](méi)有電流輸入輸出，通過(guò)r1和rf 的電流相等，設(shè)此電流為i，由歐姆定律得：
i = uo/(r1+r2) ……b
ui等于rf上的分壓， 即： ui = i*r2 ……c
由abc式得uo=ui*(r1+rf)/rf
這就是傳說(shuō)中的同相比例運(yùn)算放大器的公式了。
三、加法器(1)
圖三中，由虛短知： u- = u+ = 0 ……a
由虛斷及基爾霍夫定律知，通過(guò)r1與r2的電流之和等于通過(guò)rf的電流，
故 (u1 – u-)/r1 + (u2 – u-)/r2 = (uo – u-)/r3 ……b
代入a式，b式變?yōu)?u1/r1 + u2/r2 = uo/rf
如果取r1=r2=r3，則上式變?yōu)?uo=u1+u2
這就是傳說(shuō)中的加法器了。
四、加法器(2)
請(qǐng)看圖四, 因?yàn)樘摂? 運(yùn)放同向端沒(méi)有電流流過(guò)，則流過(guò)r1和r2的電流相等，同理流過(guò)r4和r3的電流也相等。故
(u1 – u+)/r1 = (u+ - u2)/r2 ……a
(uo – u-)/rf = u-/r3 ……b
由虛短知： u+ = u- ……c
如果r1=r2，rf=r3，則由以上式子可以推導(dǎo)出
u+ = (u1 + u2)/2 u- = uo/2
故 uo = u1 + u2 可見(jiàn)該電路也是一個(gè)加法器電路。
五、減法器
圖五由虛斷知，通過(guò)r1的電流等于通過(guò)r2的電流，同理通過(guò)r4的電流等于r3的電流，
故有 (ui2 – u+)/r2 = u+/r3 ……a
(ui1 – u-)/r1 = (u- - uo)/rf……b
如果r2=r3， 則 u+ = ui2/2 ……c
如果rf=r3， 則u- = (uo + u1)/2 ……d
由虛短知 u+ = u- ……e
所以 uo=u2-u1
這就是傳說(shuō)中的減法器了。
六、積分電路
圖六電路中，由虛短知，反向輸入端的電壓與同向端相等，由虛斷知，通過(guò)r1的電流與通過(guò)c的電流相等。 通過(guò)r的電流 i=u1/r 通過(guò)c的電流 i=c*duc/dt=-c*duo/dt
所以 uo=((-1/(r*c))∫uidt
輸出電壓與輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分成正比,這就是傳說(shuō)中的積分電路了。
若ui為恒定電壓u，則上式變換為uo = -u*t/(r*c) t 是時(shí)間，則uo輸出電壓是一條從0至負(fù)電源電壓按時(shí)間變化的直線。
七、微分電路
圖七中由虛斷知，通過(guò)電容c1和電阻r1的電流是相等的，由虛短知，運(yùn)放同向端與反向端電壓是相等的。則
uo = -i * r = -(r*c)dui/dt
這是一個(gè)微分電路。
如果ui是一個(gè)突然加入的直流電壓，則輸出uo對(duì)應(yīng)一個(gè)方向與ui相反的脈沖。