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【连载】运放理论分析(原创+连载)

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gaoyang9992006|  楼主 | 2013-7-16 09:45 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
@21小跑堂  


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如图,这是TI给出的典型应用电路图,我来分析一下每一个元件的作用。
图中分为输入部分,反馈部分,供电部分,和负载,其实很简单的元件构成,其实每一个都是必须的,而且非常有效有用。
输入部分包括Rin和Rb,这两个电阻一个是可变电阻一个是固定电阻,其中可变电阻可以是10KΩ的电位器,就是调音作用的,实际上Rin就是起到了调音作用,而Rb是保护电阻,当调到最大时候Rb用于吸收电流,使得放大器Vin+(10)能够获得全部的电压信号,而很低的电流信号,因为放大电路输入只对电压敏感,这也是运放的好处,不用担心电流的微弱或者说输入阻抗再大都木有关系。好了解释清楚输入部分两个电阻的作用了。

电源部分,两个Cs是为了供电的稳定提供的电源滤波电容,电容直接与地相连,将电源中的交流成分吸收到地。这就是两个电源滤波电容的作用,理论上这两个容量越大越好,因为越大越能够吸收更多带宽频率的交流。

最为重要的就是反馈部分了。反馈部分包括Rf、Ri、Ci。其中两个电阻我们明白,这个是为了构成放大比例的,放大倍数与Rf与Ri的比值有关。那么Ci是干什么的呢?
电容的基本特性是隔直流,通交流。假设我们的信号中存在直流成分和交流成分,那么都将被放大器放大。当我们有了这个Ci,我们可以知道Ci只能通过交流,直流无法通过,而反馈给Vin-(9)的信号成分将会被放大器削弱。由于交流成分可以自由的穿梭与电容,这里不进行考虑,单看直流成分,直流成分将会认为电容是个很大大的电阻,会怎么样?、???哈哈,你肯定猜到了,放大倍数远远接近于零了,对了,这就对直流成分进行了放大抑止,同样一个电路,对交流就行了放大,却对直流进行了抑止, 你说它是干啥用的?答:它是滤直流信号的。

Rm与Cm是静音电路这里不做解释,人家电路设计的,必须的有这两个玩意儿,可以进行静音。

再有人提问,如果有人回答让你回家看什么书,或者说去看技术手册。我敢说,这个回答问题的绝对是装B呢,他不知道答案。  

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沙发
gaoyang9992006|  楼主 | 2013-7-16 09:49 | 只看该作者
本帖最后由 gaoyang9992006 于 2013-5-11 21:14 编辑

2013-5-11 20:40 上传
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大家看图,学过的都知道:Vout = -(Rf / Rin) * Vin
这实际上有个很有趣的现象,就是虚短虚断的概念.这里不赘述.我要讲的更简单.


没人看,我也继续更新.

实际上,我们主要考虑这么一个事实,通过负反馈,系统要达到一个平衡,就是使得Vin+==Vin=
只要记住这一点就基本上距离掌握负反馈的精华很近了.听我慢慢道来.
上面这个图属于四种基本拓扑结构的并联电压型反馈放大电路.
说到并联,无非就是,Vin-和Vout相对地(Vin+)是并联的形式,另外有这么一个事实,实际上Vin与Vout是可以看做两个独立的电压源。这样一来,电路图就等效为: 2013-5-11 21:08 上传
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由于电流实际上不从等效的地流出,或者说那只是一个零点电势.所以实际上电流只沿着等效图的横向流动,又因为Vin与Vout相对等效零点电势方向相反,所以有Vin:RIN=-Vout:RF
因为Vout是跟随Vin的变化,而使得等效零电势的RIN与RF中间虚拟接地的那个点电势为零,这么一来就要跟随Vin的变化而变化了。也就有了
Vout = -(Rf / Rin) * Vin这个概念.
接下来我将讲解我比较喜欢的串联电压负反馈拓扑结构的认识.
2013-5-11 21:20 上传
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这是我认为最为经典的串联电压负反馈运放的拓扑结构.
其中有以下关系
Vout =((R2 / R1) + 1) * Vin

由于虚短虚断的概念我们可以认为:Vin+与Vin-之间有着无穷大的电阻连接,另外Vout的存在只有一个目的,就是为了达到Vin+==Vin-,另外符合上述公式的平衡。
我们可以把上述放大电路等效为:
2013-5-11 21:27 上传
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该图Vin控制着输出Vout,使得输出保证该电路平衡,即符合伏安特性。Vin=Vout*R1/(R1+R2)
现在我来定性的说一下负反馈平衡的本质.每当输出要增大的时候都可以通过该分压电路把变化信息传递给Vin-,使得Vin+与Vin-始终接近无穷小。这也是负反馈的本质,就是不管电路参数如何变动都可以通过Vin-把输出Vout的一部分送给输入,使得(Vin+)-(Vin-)始终向0靠近。如果难以理解就看成上面的等效电路就行了,Vout跟随Vin变化,以保证串联电阻的伏安特性。另外要明确,Vin只相当于电压参考点,实际上不给电路提供任何电流,电流始终有受控的Vout提供。


2013-5-12 18:46 上传
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看上面的电路,以及示波器图,你会发现,Vin+与Vin-是一致的。
看上图,这个被称为电流串联负反馈,我们来看,这实际上是把负载RL作为输出Vout负载的一部分,另外把Vout的一部分通过分压的形式反馈给了Vin-.大家仔细看,是不是 跟
串联电压负反馈运放的拓扑结构.非常的像、??
另外这里实际上说是横流通过RL,但是也是通过电压反馈实现的,书上说的所谓反馈的是电流简直是乌**之谈。:lol,因为这里把它理解为电压更科学,因为这里保证了固定电阻R3上电压始终与Vin+相等,也就是Vin+==Vin-
从而保证了Vin-==Vr3.且Irl=Ir3=Vr3/R3.由固定电阻R3上的电压始终与输入Vin+相等实现了RL负载的横流输出。传说中的恒流源也不过是通过恒压实现的,无论RL如何的变化
,始终R3是固定的,R3上的电压是固定的, 那么R3上的电流是固定的,串联的RL上电流也自然是固定的。另外必须的记住Vin+==Vin-.且两个输入点始终对地之间相当于地有无穷大的电阻存在。
大家知道恒流电源用运放怎么构建了吧?如果R3是个电位器(可变电阻),且Vin+的输入可知。那么就可以通过调节R3进行电流的大小控制。

2013-5-12 18:46 上传
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看上面的电路,以及示波器图,你会发现,Vin+与Vin-是一致的。
看上图,这个被称为电流串联负反馈,我们来看,这实际上是把负载RL作为输出Vout负载的一部分,另外把Vout的一部分通过分压的形式反馈给了Vin-.大家仔细看,是不是 跟
串联电压负反馈运放的拓扑结构.非常的像、??
另外这里实际上说是横流通过RL,但是也是通过电压反馈实现的,书上说的所谓反馈的是电流简直是乌**之谈。:lol,因为这里把它理解为电压更科学,因为这里保证了固定电阻R3上电压始终与Vin+相等,也就是Vin+==Vin-
从而保证了Vin-==Vr3.且Irl=Ir3=Vr3/R3.由固定电阻R3上的电压始终与输入Vin+相等实现了RL负载的横流输出。传说中的恒流源也不过是通过恒压实现的,无论RL如何的变化
,始终R3是固定的,R3上的电压是固定的, 那么R3上的电流是固定的,串联的RL上电流也自然是固定的。另外必须的记住Vin+==Vin-.且两个输入点始终对地之间相当于地有无穷大的电阻存在。
大家知道恒流电源用运放怎么构建了吧?如果R3是个电位器(可变电阻),且Vin+的输入可知。那么就可以通过调节R3进行电流的大小控制。

这次该讨论电流并联负反馈了。这个是这四种中稍微难理解的,不是我们笨,可能是其他地方讲的太复杂,没有说到问题本质。今天我给大家说说我认为的本质是什么。我先去画个电路图,稍后回来更新。
2013-5-23 18:35 上传
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如图所示,2和3节点电势为0,输入电流源通过R和RF流到RL,这里主要考虑RL,RF,R1组成的并联分流网络,再考虑串联分压。
可以看出R1与RF、RL的公共节点电压应该是端口1的已办,看示波器波形,应该是一半的,对吧?也就是说符合这样的最简电路。
2013-5-23 18:41 上传
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其中电流源提供的I(in)通过RF流过,由于运算放大器迫使这个最简电路要符合伏安特性,所以有Fi=if/io=R1/(R!+RF)
或者什么反馈系数不用管,直接的就是个符合伏安特性(串联分压,并联分流)。
总结,运放负反馈电路的分析方法是:根据运放的基本特点,把运放消失掉,只保留最简电路图,将电感,电容看做可变电阻(针对不同频率的信号电阻不同)分析,将会大大减轻你大脑理解力的工作量。

反馈电路类型的判别方法:
反馈电路直接从输出Vout端引出,则是电压反馈。
从负载RL靠近地端(一般还有一个定值电阻与RL相连,该定值电阻另一端是接地的)引出,则是电流反馈。
或者这么理解,对输出端(负载两端)短路,反馈量为0,则为电压反馈,若不为零是电流反馈。
输入信号和反馈信号分别加到两个输入端是串联反馈,加到了同一个输入端是并联反馈。(因为运放有两个输入端分别叫Vin+和Vin-)
反馈信号使得净输入的信号减小的就是负反馈。净输入=(Vin+) -(Vin-)
https://bbs.21ic.com/forum.php?mod=attachment&aid=MTc2MDMyfDY1ZGZkZmYxfDEzNzM5MzkyODB8NzI0NTAzfDU0NjU3Ng%3D%3D

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板凳
gaoyang9992006|  楼主 | 2013-7-16 09:52 | 只看该作者
信号累加

先上图。
  
先给出对应的公式。
2013-5-28 00:06 上传
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先对第一种分析,图示第一种比较简单,我们知道运放的Vin-=Vin+。所以第一个电路图上三个电阻的公共节点电势Vin-=0.
(V1/R1)+(V2/R2)=(0-Vout)/RF。移项处理后就得到了公式中的第一个:Vout=-(Rf/R1)*V1-(RF/R2)*V2.请从一楼的图上看更清楚。

第二个图难以理解,当年我感觉难以理解,现在懂了,变的很简单了,我这里主要是像我从前一样迷糊的同学讲的,欢迎大家将自己有所悟的基础知识拿来与大家分享,比如你曾经难以理解,或者没有想通,突然就想通了,拿出来说说,与大家分享你的思考过程
下面我通过三种方法分析第二个图。
由第二个电路图知道,V1和V2通过Vin+接入,另外Vin-=Vin+,且由于分压作用并不为0.
第一种方法:因为运放的输入级端口对地有无穷大阻抗,可以看成以下等效电路
2013-5-28 00:20 上传
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根据该电路列方程:[(V1-Vin+)/R1]+[(V2-Vin+)/R2]=Vin+/R3.
展开:(V1/R1)+(V2/R2)=(Vin+)*【(1/R3)+(1/R1)+(1/R2)】。
因为R3是对地无穷大电阻,所以这里倒数无穷小(1/R3)=0.
所以上面等式变成:(V1/R1)+(V2/R2)=(Vin+)*【(1/R1)+(1/R2)】。
即:(Vin+)=V1*[R2/(R1+R2)]  +V2*[R1/(R1+R2)]

之后就是电压串联负反馈了,剩下的你就知道了。
第二种,电势法.
2013-5-28 00:34 上传
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如图,两个电压源加到串联电阻R1和R2上。
选区方向由左向右。
I=(V1-V2)/(R1+R2).
R2上的电势为Vr2=Vin+=V2+I*R2
代入计算得到Vin+=       
第三种,假设法。
如上图,假设V2=0.
则:Vin+=V1*R2/(R1+R2)
假设V1=0.则Vin+=V2+*R1/(R1+R2)
由叠加原理得到Vin+= 2013-5-28 00:44 上传
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地板
gaoyang9992006|  楼主 | 2013-7-16 09:54 | 只看该作者
组合放大

2013-5-29 15:49 上传
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大家先围观这个图,刚才我在另一个板块看到有人发这个图,咨询问题,我特意拿来仿真做出来给大家分析,然后还供下载测试把玩。
组合放大.rar (9.98 KB, 下载次数: 23)   2013-5-29 15:51 上传
下载次数: 23




大家先发表意见,如何分析这个图,相信有好多人还是很清楚的,不过有一小部分不清楚我们就要讲出来让大家都明白。
这个图由两个运放组合组成,话说不是级联啊,不要弄混了。
先用单一运放的分析方法,我们看第一个运放作用,经过查看第一个运放3端口通过电阻接地,那么端口2有虚短虚断的道理来看是电势为0,由于6没有反抗给2信号,则前半部分似乎属于开环,实际上不是开环,因为从下一个运放反馈回来了,这个叫跳级反馈。
因为不可能从第一个运放的6端口输出无穷大的,再看第二个运放,发现第二个运放构成串联分压负反馈,可知第二个运放的2和3电势相等。也就是该处应该为第二个运放输出的一半,且相位一致。
实际上第一个运放是有反馈的,且属于并联电压反馈,我们且看如下等效图。
在这之前我先上个仿真的电路图(示波器图)

2013-5-29 16:15 上传
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由等效电路可以看出实际上该输出Vout=-(R2/R1)*Vin
另外观察,R4好R5貌似没有大用处,多少都不影响输出,实际上这里要考虑到一个问题,单独的把第二个运放电路拿出来是个串联电压负反馈放大电路,且有放大倍数为(R4+R5)/R4.这就给两个运放进行了分工。实际上第一个运放我们不容易直接看出分担了多少放大能力,但是结合第二个的放大能力和整体放大能力我们就可以知道了。
假设根据R1和R2知道了放大能力为A,而第二个运放放大为B,则第一个运放放大贡献为A÷B.
该电路通过从第二个运放输出取电,反馈到第一个运放的Vin-输入进行负反馈,称为跳级负反馈。
该电路实际上分析法跟单运放一样,遵照虚短虚断,另外输入的两个端口对地有无穷大阻抗。
该示例电路的输入与输出的比例只受控于R1与R2的比例。
R4与R5对于第二个运放构成的电压串联负反馈是为了分配两个运放的放大负担。已知整体的运放能力,知道两个运放的放大负担是相乘的。那么知道了第二个的放大能力就能算出第一个的放大负担分配是多少。

2013-5-29 16:07 上传
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cgd| | 2013-7-16 14:08 | 只看该作者
前排插入

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tee.| | 2013-7-16 16:31 | 只看该作者
我去,楼主给力,这么一篇大论,厉害!

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zeluo| | 2013-7-16 18:36 | 只看该作者
强人   高手   楼主   我需要向你学习学习   顶一个  

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happyisgood| | 2013-7-16 23:26 | 只看该作者
先支持一个

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cjhk| | 2013-7-17 18:17 | 只看该作者
顶一个   好帖子   一定不能下沉  希望有更多的高手来吐槽     顶一个

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cjhk| | 2013-7-17 18:17 | 只看该作者
有时间   一定要向楼主多多请教   谢谢了   楼主

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linfeng24| | 2013-7-18 09:29 | 只看该作者
不错的帖子,支持

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zeluo| | 2013-7-18 18:59 | 只看该作者
收藏一个   学习学习   谢谢了  楼主   顶一个  很不错   有时间  这一块需要好好消化消化   顶起来

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yueyimei| | 2013-7-22 11:20 | 只看该作者
受教了

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firstblood| | 2013-7-22 23:17 | 只看该作者
这个贴介绍的非常不错的,我仔细的来阅读了

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firstblood| | 2013-7-22 23:19 | 只看该作者
放大电路输入只对电压敏感,这也是运放的好处,不用担心电流的微弱或者说输入阻抗再大都木有关系。

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firstblood| | 2013-7-22 23:21 | 只看该作者
一边学习一边做笔记了。。。。电容直接与地相连,将电源中的交流成分吸收到地。这就是两个电源滤波电容的作用,理论上这两个容量越大越好,因为越大越能够吸收更多带宽频率的交流。

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firstblood| | 2013-7-22 23:29 | 只看该作者
在负反馈的放大电路中,Vin只相当于电压参考点,实际上不给电路提供任何电流,电流始终有受控的Vout提供。

怎么讲啊?求解。。。

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firstblood| | 2013-7-22 23:33 | 只看该作者
按照楼上的说法,恒流源的原理实质就是恒压源???

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firstblood| | 2013-7-22 23:34 | 只看该作者
一下子的理解不了这么多的,先到这吧,明天继续了,,,,

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gaoyang9992006|  楼主 | 2013-7-24 12:59 | 只看该作者
在将拓扑结构中的电阻换成电容和电感时候,电路就具有了滤波特性,或者说选择放大特性。因为不同感抗和容抗的元件对于不同的交流信号是体现出了不同的阻抗。这样在电路工作的过程中就相当于对于不同信号有着不同的等效工作电路在叠加。如果使用频域分析,则很容易看出信号截止区,并根据组合可以设计出有源滤波器,低通与高通的结合就可以设计出带通或者带阻滤波器。

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简介:主要工作从事监控网络与通信网络设计,以及从事基于嵌入式的通信与控制设备研发。擅长单片机嵌入式系统物联网设备开发,音频功放电路开发。

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