2022-04-02遍觀所有模擬電子技朮的書(shu) 籍和課程，在介紹電路的時候，無非是先給電路來個(ge) 定性，比如這是一個(ge) 同向放大器，然後去推導它的輸出與(yu) 輸入的關(guan) 係，然後得出Vo=(1+Rf)Vi，那是一個(ge) 反向放 大器，然後得出Vo=-Rf*Vi……最後學生往往得出這樣一個(ge) 印象：記住公式就可以了!如果我們(men) 將電路稍稍變換一下，他們(men) 就找不著北了!偶曾經麵試過至 少100個(ge) 以上的大專(zhuan) 以上學曆的電子專(zhuan) 業(ye) 應聘者，結果能將我給出的電路分析得一點不錯的沒有超過10個(ge) 人!其它專(zhuan) 業(ye) 畢業(ye) 的更是可想而知了。
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今天，芯片級維修教各位戰無不勝的兩(liang) 招，這兩(liang) 招在所有運放電路的教材裏都寫(xie) 得明白，就是“”和“虛斷”，不過要把它運用得出神入化，就要有較深厚的功底了。
和虛斷的概念
由於(yu) 運放的電壓放大倍數很大，一般通用型的開環電壓放大倍數都在80 dB以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在 10 V～14 V。因此運放的差模輸入電壓不足1 mV，兩(liang) 輸入端近似等電位，相當於(yu) “短路”。開環電壓放大倍數越大，兩(liang) 輸入端的電位越接近相等。
“”是指在分析運算放大器處於(yu) 線性狀態時，可把兩(liang) 輸入端視為(wei) 等電位，這一特性稱為(wei) 虛假短路，簡稱虛短。顯然不能將兩(liang) 輸入端真正短路。
由於(yu) 運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算放大器的 輸入電阻都在1MΩ以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足1uA，遠小於(yu) 輸入端外電路的電流。故 通常可把運放的兩(liang) 輸入端視為(wei) 開路，且輸入電阻越大，兩(liang) 輸入端越接近開路。“虛斷”是指在分析運放處於(yu) 線性狀態時，可以把兩(liang) 輸入端視為(wei) 等效開路，這一特性稱 為(wei) 虛假開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩(liang) 輸入端真正斷路。
在分析運放電路工作原理時，首先請各位暫時忘掉什麽(me) 同向放大、反向放大，什麽(me) 加法器、減法器，什麽(me) 差動輸入……暫時忘掉那些輸入輸出關(guan) 係的公式……這些東(dong) 東(dong) 隻會(hui) 幹擾你，讓你更糊塗﹔也請各位暫時不要理會(hui) 輸入偏置電流、共模抑製比、失調電壓等電路參數，這是設計者要考慮的事情。我們(men) 理解的就是理想放大器(其實在維修中和大多數設計過程中，把實際放大器當做理想放大器來分析也不會(hui) 有問題)。
好了，讓我們(men) 抓過兩(liang) 把“板斧”------“虛短”和“虛斷”，開始“庖丁解牛”了。
圖一運放的同向端接地=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，幾乎沒有電流注入和流出，那麽(me) R1和R2相當於(yu) 是串聯 的，流過一個(ge) 串聯電路中的每一隻組件的電流是相同的，即流過R1的電流和流過R2的電流是相同的。流過R1的電流I1 = (Vi - V-)/R1 ……a 流過R2的電流I2 = (V- - Vout)/R2 ……b V- = V+ = 0 ……c I1 = I2 ……d 求解上麵的初中代數方程得Vout = (-R2/R1)*Vi 這就是傳(chuan) 說中的反向放大器的輸入輸出關(guan) 係式了。
圖二中Vi與(yu) V-虛短，則 Vi = V- ……a 因為(wei) 虛斷，反向輸入端沒有電流輸入輸出，通過R1和R2 的電流相等，設此電流為(wei) I，由歐姆定律得： I = Vout/(R1+R2) ……b Vi等於(yu) R2上的分壓， 即：Vi = I*R2 ……c 由abc式得Vout=Vi*(R1+R2)/R2這就是傳(chuan) 說中的同向放大器的公式了。
圖三中，由虛短知： V- = V+ = 0 ……a 由虛斷及基爾霍夫定律知，通過R2與(yu) R1的電流之和等於(yu) 通過R3的電流，故 (V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (Vout – V-)/R3 ……b 代入a式，b式變為(wei) V1/R1 + V2/R2= Vout/R3 如果取R1=R2=R3，則上式變為(wei) Vout=V1+V2，這就是傳(chuan) 說中的加法器了。
(編輯者注)質疑：(V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 =(V- – Vout)/R3 ……b 圖三公式中少了個(ge) 負號?
請看圖四。因為(wei) 虛斷，運放同向端沒有電流流過，則流過R1和R2的電流相等，同理流過R4和R3的電流也相等。故 (V1 – V+)/R1 = (V+ - V2)/R2 ……a (Vout – V-)/R3 = V-/R4 ……b 由虛短知： V+ = V- ……c 如果R1=R2，R3=R4，則由以上式子可以推導出 V+ = (V1 + V2)/2 V- =Vout/2 故 Vout = V1 + V2 也是一個(ge) 加法器，嗬嗬!
圖五由虛斷知，通過R1的電流等於(yu) 通過R2的電流，同理通過R4的電流等於(yu) R3的電流，故有 (V2– V+)/R1 = V+/R2 ……a (V1 – V-)/R4 = (V- - Vout)/R3 ……b 如果R1=R2， 則V+ = V2/2 ……c 如果R3=R4， 則V- = (Vout + V1)/2 ……d 由虛短知 V+ = V- ……e 所以 Vout=V2-V1 這就是傳(chuan) 說中的減法器了。
圖六電路中，由虛短知，反向輸入端的電壓與(yu) 同向端相等，由虛斷知，通過R1的電流與(yu) 通過C1的電流相等。通過R1的電流i=V1/R1 通過C1的電流i=C*dUc/dt=-C*dVout/dt所以 Vout=((-1/(R1*C1))∫V1dt 輸出電壓與(yu) 輸入電壓對時間的積分成正比,這就是傳(chuan) 說中的積分電路了。若V1為(wei) 恒定電壓U，則上式變換為(wei) Vout = -U*t/(R1*C1) t 是時間，則Vout輸出電壓是一條從(cong) 0至負電源電壓按時間變化的直線。
圖七中由虛斷知，通過電容C1和電阻R2的電流是相等的，由虛短知，運放同向端與(yu) 反向端電壓是相等的。則： Vout = -i * R2 = -(R2*C1)dV1/dt 這是一個(ge) 微分電路。如果V1是一個(ge) 突然加入的直流電壓，則輸出Vout對應一個(ge) 方向與(yu) V1相反的脈衝(chong) 。
圖八.由虛短知 Vx = V1 ……a Vy = V2 ……b由虛斷知，運放輸入端沒有電流流過，則R1、R2、R3可視為(wei) 串聯，通過每一個(ge) 電阻的 電流是相同的， 電流I=(Vx-Vy)/R2 ……c 則： Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3) = (Vx-Vy)(R1+R2+R3)/R2 ……d 由虛斷知，流過R6與(yu) 流過R7的電流相等,若R6=R7， 則Vw = Vo2/2 ……e 同理若R4=R5，則Vout – Vu = Vu – Vo1，故Vu = (Vout+Vo1)/2 ……f 由虛短知，Vu = Vw ……g 由efg得 Vout = Vo2 – Vo1 ……h 由dh得 Vout = (Vy –Vx)(R1+R2+R3)/R2 上式中(R1+R2+R3)/R2是定值，此值確定了差值(Vy –Vx)的放大倍數。這個(ge) 電路就是傳(chuan) 說中的差分放大電路了。
分析一個(ge) 大家接觸得較多的電路。很多控製器接受來自各種檢測儀(yi) 表的0~20mA或4~20mA電流，電路將此電流轉換成電壓後再送ADC轉換成數字信號，圖九就是這樣一個(ge) 典型電路。如圖4~20mA電流流 過采樣100Ω電阻R1，在R1上會(hui) 產(chan) 生0.4~2V的電壓差。由虛斷知，運放輸入端沒有電流流過，則流過R3和R5的電流相等，流過R2和R4的電流相 等。故： (V2-Vy)/R3 = Vy/R5 ……a (V1-Vx)/R2= (Vx-Vout)/R4 ……b 由虛短知： Vx = Vy ……c 電流從(cong) 0~20mA變化，則V1 = 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，則由e-a得Vout =-(0.4~2)R4/R2 ……f 圖九中R4/R2=22k/10k=2.2，則f式Vout = -(0.88~4.4)V，即是說，將4~20mA電流轉換成了-0.88 ~ -4.4V電壓，此電壓可以送ADC去處理。
電流可以轉換成電壓，電壓也可以轉換成電流。圖十就是這樣一個(ge) 電路。上圖的負反饋沒有通過電阻直接反饋，而是串聯了三極管Q1的發射結，大家可不要以為(wei) 是一個(ge) 比較器就是了。隻要是放大電路，虛短虛斷的規律仍然是符合的!
由虛斷知，運放輸入端沒有電流流過，
則 (Vi – V1)/R2 = (V1 – V4)/R6 ……a
同理 (V3 – V2)/R5 = V2/R4 ……b
由虛短知 V1 = V2 ……c
如果R2=R6，R4=R5，則由abc式得V3-V4=Vi
上式說明R7兩(liang) 端的電壓和輸入電壓Vi相等，則通過R7的電流I=Vi/R7，如果負載RL<<100KΩ，則通過Rl和通過R7的電流基本相同。
來一個(ge) 複雜的，嗬嗬!圖十一是一個(ge) 三線製PT100前置放大電路。PT100傳(chuan) 感器引出三根材質、線徑、長度完全相同的線，接法如圖所示。有2V的電壓加在由R14、R20、R15、Z1、PT100及其線電阻組成的橋電路上。Z1、Z2、Z3、D11、D12、D83及各電容在電路中起濾波和保護作用，靜態分析時可不予理會(hui) ，Z1、Z2、Z3可視為(wei) 短路，D11、D12、D83及各電容可視為(wei) 開路。由電阻分壓知， V3=2*R20/(R14+20)=200/1100=2/11 ……a 由虛短知，U8B第6、7腳 電壓和第5腳電壓相等 V4=V3 ……b 由虛斷知，U8A第2腳沒有電流流 過，則流過R18和R19上的電流相等。(V2-V4)/R19=(V5-V2)/R18 ……c 由虛斷知，U8A第3腳沒有電流流過， V1=V7 ……d 在橋電路中R15和Z1、PT100及線電阻串聯，PT100與(yu) 線電阻串聯分得的電壓通過電阻R17加至U8A的第3腳，V7=2* (Rx+2R0)/(R15+Rx+2R0) …..e 由虛短知，U8A第3腳和第2腳電壓相等， V1=V2……f 由abcdef得，(V5-V7)/100=(V7-V3)/2.2 化簡得 V5=(102.2*V7-100V3)/2.2 即 V5=204.4(Rx+2R0)/(1000+Rx+2R0) – 200/11 ……g 上式輸出電壓V5是Rx的函數我們(men) 再看線電阻的 影響。Pt100最下端線電阻上產(chan) 生的電壓降經過中間的線電阻、Z2、R22，加至U8C的第10腳，由虛斷知， V5=V8=V9=2*R0/(R15+Rx+2R0) ……a(V6-V10)/R25=V10/R26 ……b 由虛短知， V10=V5 ……c 由式abc得V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/[2.2(1000+Rx+2R0)] ……h 由式gh組成的方程組知，如果測出V5、V6的值，就可算出Rx及R0，知道Rx，查pt100分度表就知道溫度的大小了。
文章來源：電子產(chan) 品世界
