从零学运放—02怎样分析运放电路

虚短与虚断是分析运放的2大法宝

1.1、虚短

        负反馈环路下，同相输入端电压与反向输入端电压基本相当，像“短路”似的，即所谓“虚短”，但物理链路上并非真的短路。

        在同相端和反相端它的内部我们可以看作一个大的阻抗，就是我们之前讲到的Ib，它也就是pA级别或者是nA级别。那这个阻抗就非常大，兆欧级别。所谓的虚短就是说，阻抗非常大，那么你这个同相端经过这个阻抗到反相端流过电流非常非常小，同相端和反相端电压是相等的（不是绝对相等，它会有一个压差，毕竟还是有电流的），那么这种情况呢就好像同相端和反相端短路了一样，它们之间电压相等的，这种情况下呢就叫虚短。（同反相之间电流小，没压降，电压相等，像短路一样）

说白一点 如上图：U+与U-就像是连接在一起的一根导线，但没有真正连在一起，就叫虚短，这个概念要告诉我们

U+=U-，为以后的公式推算埋下伏笔。

如上图：D1稳压管为2.5V 则同相端电压为2.5V  根据虚短V+=V-=2.5V  若要输出5V的电压  根据分压公式

V-=Vo*(R1/R1+R2)  设其中一个电阻为2K  则可计算出另一个电阻值  2=5*（2000/2000+R2）

1.2、虚断

        负反馈电路下，同相输入端和反向输入端流入运放内部的电流非常小，通常都在nA级以下（常用运放多是pA级），像“断开”似的，即所谓“虚断”，但物理链路上还是连接着的。虚断的概念告诉我们I+=I-=0.

x

        虚断就是流进运放的电流非常非常小，没有电流进去，好像同相端和反相端与运放电路好像断开了。

        虚短和虚断就是我们分析运放电路的两大基础，但是它指的是闭环负反馈情况下。开环的情况下，我们在运放作为比较器时还是可以用这个虚断的概念的。

当我用虚短、虚断分析运放电路的时候呢，外边就相当于一个电阻分压电路了，也就是通过基尔霍夫定律列等式。

        透过这张图我们可以看到，同相端和反相端是有漏电的，也就是说信号源过来的信号一定要满足Ib，也就是远远大于Ib，这样信号才不会被偏置电流所影响。再看这个Vos，也就是说你输入过来的信号是会叠加上这个Vos（输入失调电压，它可以是正也可以是负值，正值的话，信号需要加上这个Vos，如果Vos是负值的话那么输入信号电压就要减去Vos，也就是Vos会参与到反馈环路的处理）的。

        一定是闭环负反馈情况下才用这两个概念来分析。

        开环情况，在运放做比较器是可以用虚断来进行分析。

        不能用万用表去测量同相端和反相端电压，因为万用表是通过电阻分压方式来测待测点电压的，万用表流入的电流是远远大于运放输入端的电流的（运放输入端一般是pA级的）。

         可以用示波器进行测量，把示波器打到衰减10倍，那么它的输入阻抗和运放的输入阻抗不在一个级别上，输入阻抗离的越远越好，这时候测的电压几乎是近似的。

2、怎样选择合适的运放

        当我们拿到一个项目，根据各个信号传感器选运放的时候，我们该怎样去根据实际情况选择合适的运放。首先分析传感器是什么样一个特性。如果是直流信号，我们就要考虑输出阻抗是什么（也就是你的源信号的输出阻抗多大——带载能力多大），如果带载能力很小——也就是说你的输出阻抗很大，对后级的运放要求就很苛刻了，运放的输入阻抗要远远高于源信号的输出阻抗，如果处在同一个阻抗级别，那么运放的输入偏置电流会对源信号影响非常明显。

        国产的运放不会提供运放的输入阻抗参数，那么我们通过输入偏置电流来选择运放的型号。

        输入失调电压，它是叠加在我们的输入信号上的，它可能是正值也可能是负值。规格书上值给出了最大值，并没有给出最小值，有可能为负。但是有些工厂对输入失调电压故意做了一个正偏（这种会特别注明）。

2.1、直流信号，需要考虑的参数如下

        ◆输入失调电压，大小一定要在待处理信号的1/10以内，越小越贵，根据精度选择廉价器件

        ◆温漂，电池化生设备，就会对温漂很苛刻，一个板子上会有上百的运放。

        ◆ 输入失调电流

        下面三个根据具体系统来定的

        ◆ 耗电要求

        ◆ 工作电压

        ◆ 输入输出特性

2.2、交流信号，需要考虑参数如下

首先考虑频率,根据频率幅值还有后级的采集电路所要识别的电压来算放大倍数。比如说我现在信号是1KHz1mV，那么我的ADC系统（采集系统）需要识别到1V，那就意味着这里要放大1000倍，1000*1KHz那么这个增益带宽积已经到了1MHz了，那么我们现在就可以用1MHz的运放了。但是受开环增益和压摆率，尤其增益误差的影响，实际我们选择运放的增益带宽的时候，还要乘以一个系数（经验公式：信号频率*放大倍数*N<=GBP, N=5-10N也可以更小，最小不要小于3），现在就基本可以确定运放了。还有就是要考虑信号是否对噪声有要求，比如说我们是音频信号，对电压噪声密度考虑进来，选择小的。

        ◆ 交流信号频率，

        ◆ 增益带宽

        ◆ 开环增益

        ◆ 电压噪声密度

        ◆ 耗电要求

        ◆工作电压，尽量用轨对轨输入，轨对轨输出的，尽量用动态范围大的运放。

        ◆输入输出特性，对特性没有太大要求，如果输出阻抗即便很高用隔直电容隔开，就可以隔开源信号的影响；也可以隔开源信号的偏置电压，然后用我们运放自身的偏置电压来做。

        一般来说，轨对轨输入的运放，它的耗电一般会小一点，不是绝对的，大部分是这样的。不是轨对轨的运放耗电会大一点。

3、基本运放电路

3.1、同相输入放大电路

  

        →虚短，故V+=V-=Vi(电压相等)

        →虚断，故反馈回路可根据基尔霍夫定律列等式,

        Vi/R1= Vo/(R1+Rf) (虚断电流相等)==>Vo = (1 + Rf/R1)Vi，同相放大最大放大一倍

        →运放为双电源工作模式或者单电源工作，输入信号为直流信号

        单电源情况下输入信号为直流信号，不能是交流信号，因为是同向输入，如果输入的是交流，通过之前学到的运放内部架构，它的同相输入端和反向输入端都是有个等效二极管的保护电路，当单电源供电的时候，同相端输过来的信号负半周就会被卡掉了，也就是运放识别不了；还有共模输入电压范围，它并不是说运放在任何供电下都能够识别的那么大的范围，而是说共模输入电压范围是跟供电电压相关的。

        同相输入会串一个电阻R`，常用的10K20K都可以。

        所谓的同相输入放大电路是指我输出的信号和输入的信号极性没有发生变化，如果是正就都是正的；如果是负的也是负的（双电源供电），这个电路反馈回路是到地的，以地为参考的。

        虚短、虚断分析

        1、我们同相端和反相端的电压是相等的（虚短）

        2、流进运放的电流是0（虚断）

        所以说输出Vo和Rf、R1到地，这完全是一个分压电阻的方式，就是一个分压电路

就得出

        也就是说我们在同相输入放大电路的时候，增益至少是1倍。R1拿掉就是跟随电路了，Rf也可以不要直接Vo=Vi就是跟随电路了。

3.2、反相输入放大电路

        推导下Vo与Vi关系

        正向端接地，V-=V+=0（虚短，电压相等）

        Ii=If（虚断，电流相等）

        Ii =Vi-(V-)/R1

        If=(V-)-Vo/Rf

        Vo = (-Rf/R1)Vi

        因为是反相放大电路所以是负值，再加个一级反相电路可消除负号

        →平衡电阻为同相端提供偏置电流回路，阻值要求不严格

         有的运放不能用平衡电阻，在内部已经使用了，使用会增加偏差 如：OPA227 OPA228

        →运放为双电源工作模式。单电源工作不能处理直流信号，因为没办法是负值。

        所谓的反向输入放大电路就是输入跟输出发生了180度变化。

        同相端通过平衡电阻R`接地的，所以说反相端的电压就等于同相端的电压是0（虚短），而流进运放电路的电流又是0（虚断）。

3.3、差分输入放大电路

        →运放为双电源工作模式或者单电源工作下输入信号为直流信号

        差分对运放要求比较高，对运放的共模电压抑制比比较高。因为我们的外围电阻的精度如果是不匹配的，误差比较大，会影响到我们的CMRR值，所以电阻精度要选择高一点。主要用于音频系统。

放大差模信号，抑制共模信号

共模信号是大小相位都相同信号  

差模信号是大小相同，相位相反的信号

3.4、跟随器/射随器

 

        → Rf对实际应用影响很小

        →运放为双电源工作模式或者单电源工作下输入信号为直流信号

        电阻设计都是K级的，1K-1M以内是比较合适，跟随Rf可以不要，输出跟反相端直接短接就可以了。R`是需要的，可以抗浪涌，可以衰减电流。

     一般的运放不能象上面一样的接法，只有在数据手册里写了Unity-Gain Stable(单位增益稳定)，的运放才能这样接。如：OPA820 OPA627 OPA842等。

3.5、I-V转换电路

→运放的输入偏置电流IB和输入失调电压Vos对输出电压的影响分别为IB*RF和Vos*(1+RF/Rs),Rs为光敏管内阻。

        →故需选择偏置电流和失调电压均很低的运算放大器。

        一般我们在处理光敏二极管的时候呢，采用运放电路做个I-V转换，直接靠反馈回路的Rf电阻来把这个微安级的电流转换成电压输出。这里对运放的要求是输入失调电压Vos要小（因为它会叠加到输出上），然后是输入偏置电流（IB)这个也一定要小，否则它也会叠加到Rf叠加你的输出。

            这个电路是可以单电源供电的，因为它的Vout反相流到地的，所以输出是正值。

            Rf上并的电容既起到滤波作用又起到稳定运放作用。

3.5、同相加法电路

        →运放为双电源工作模式或者单电源工作下输入信号为直流信号。

          实际工作应用中比较少，娱乐设备上会用到，多路音源叠加到一起公用一个功放（混音）。

        我们在做加法电路或者减法电路的时候很少做增益，所以Rf=R1或者电阻都不要，直接Vo接到反相端。

下图，列举一个同相加法电路的应用实例

有一个正负0.5V的信号需要送到stm32单片机进行AD转换，stm32单片机的转换范围是0-3.2V

我们在UI1接+-0.5V的信号 ，在UI2接1.5V的直流，Uo被抬升到1-2V，处于0-3.2V范围。再将它进行比例放大！

3.6、反相加法电路

        →运放为双电源工作模式或者单电源工作输入信号为直流信号

R`平衡电阻的电流值等于

其实这里不需要，直接一个10K或者20K的电阻直接接地就可以了。

         以下是滤波电路，滤波电路是一个很大一块的应用，包括低通滤波，高通滤波，带通滤波这三种常用的滤波电路。这部分牵扯知识面很广，有很多很专用的滤波电路。我们一般大部分用到的也就是一阶低通，一阶高通也就够用了。高阶滤波电路可以通过一些网上的工具进行设计。高阶滤波电路麻烦在于它的参数，设计参数的时候这些值不管电阻还是电容都不是标准值。一阶滤波电路还可以控制一下。

3.7、一阶低通滤波（LPF）

        →-3dB截止频率都是1/2πRC

        →同相输入电路可以同时加入放大

→反相输入电路有争议，大部分时候会把CF（上右图RF上的电容）当做相位补偿电容，防止系统震荡。

         一阶低通滤波电路分两种，一种是在同相端，同相输入，RC形成的滤波，这个就叫一阶低通有源滤波。它的-3dB转折频率点就是1/2πRC。我们要做一个参考源，因为单电源供电我们要抬高运放的参考点，那么我们做这个参考源的时候呢就用一个运放来做下跟随，然后再做下低通滤波，就可以用这种方式来做（左边电路）。输入V1经过RC滤波然后就当输出了，就可以做为参考点给到其它运放来用。在加法电路中提到的，一般我们在做滤波电路的时候很少做增益，也不是说不能做增益，而是说不用增益的话，参数可能说相对好设置一些，当然你也可以做上增益。另外一种就是反相输入电路，这个有争议（有一些人认为RF和CF它可以组成一个低通滤波，但是大多时候我们会把这个CF看作相位补偿电容，主要作用就是防止运放的一个震荡）。

3.8、二阶低通滤波（LPF)

        →压控电压源电路和无限增益多路反馈电路两种设计方式，这两种在实际工作中也用到很多，但是参数不好设计，这些电阻都可能是非标值（就是根据我们的信号频率算出来的都是非标值），这个传输函数我们可以借助相关工具来算，手工算很麻烦（虚短，虚断也能算出来，电容就用容抗来表示，复杂高数来计算）。

3.9、一阶高通滤波（HPF)

        →-3dB截止频率都是1/2πRC

        →同相输入电路可以同时加入放大

          高通和低通他俩其实是成对的（相对应的），把电容（C1）和电阻（R1）的位置对调一下就可以了。

4.仪表放大电路

仪表放大电路是3运放电路，由2个同相放大器和1个差分运算放大器组成 

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由以上几个演变过程，演变为下面，专用的仪表放大器INA129（还有AD620 INA101 INA128 INA129 INA2128等）

PIN5  Vref提升电压 便于stm32的AD检测

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