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[资讯] 差动放大器工作原理及各点电压计算

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随梦 发表于 2005-12-28 01:43:00

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差动放大器工作原理及各点电压计算
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运算放大器广泛应用于各类型电子产品上面,用来对模拟量信号进行放大或衰减,使信号幅值达到一个合理的区间,供其它电路进行比较或采样。8 N8 m, Y7 ~  @/ ^0 |: n
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差动放大器具有一个普通放大器不具备的优点:可对一个或多个不共地的信号进行检测,各个被测信号或放大器皆不受非等电位带来的影响,使各个被信号与放大器之间继续保持着“隔离”特性。但这个这么好的优点却没有被仪器厂家重视。& K6 z2 ~# {$ B5 Y

& ^! r* U. t5 L% v7 D7 i7 {目前绝大多数的示波器都无法对两个以上不共地信号进行同时检测,甚至只使用单通道时也无法直接测量非隔离的信号,例如220V市电,或220V整流后的电压,因为探头的地跟交流电地线是通的,一测就是短路。假如前级采样采用差动放大器电路形式,此问题迎刃而解了。不过福禄克的示波表倒是支持测量不共地信号,但它是不是用的差动放大电路,我就没去研究过了。
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下图是整流器电压的采样电路,根据科技先躯们的经验,当两输入电阻相等,两反馈电阻也相等时(姑且把同相端电阻也称为反馈电阻),电路的放大比例为RF/RI,下图为10/1000,即0.01倍,衰减型电路。
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$ @  G3 H- K; i/ j! i; T4 [- ?教科书上的公式推导过程我看来看去硬是看不明白,数学没学好是我的硬伤,但我相信公式是正确的,因为我用我自己的理解方式计算过,也实验过,放大比例确实是RF/RI,下面我就分享一下我的推导方法,也是各电压点的计算方法,但是要注意的是,这个计算方法是针对被测信号与放大器不共地的时候用的,在共地的时候计算法又不同,后面我会讲到。
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: G1 `* ^9 m7 m图中,受测电压为540VDC,上正下负。
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0 `1 i' _6 n: ^# U  g' ]# g" l我们知道,运放工作在放大区时,正反输入端电压是相等的(理想状态下完全一致,实际有少许偏差,偏差值由运放品质决定),即虚短,那受测信号的负载电流可以等效于右图,我们由此计算出受测信号回路电流,540V/2000K=0.27MA,红色箭头为电流方向,OK。  B# e4 S: G; g1 B

, g3 s3 v/ l/ D4 K我们还知道,运放还有虚断特性,即正反输入端的电流几乎为0,可以忽略不计,那我们就可以断定,流经两输入电阻的电流与流经两反馈电阻的电流是一样的,即4个电阻的电流都为0.27MA。因此我们可以算出反馈电阻的电压为0.27MA*10K=2.7V,电流由下往上流,故同相输入端电压为-2.7V,因为虚短,反相输入端电压也为-2.7V,负反馈电阻电流由左向右流,即电阻电压为左高右低,幅值2.7V,故输出电压比反向输入端-2.7V还要低2.7V,即-5.4V。
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! A" _; `( h, T% T- a如果用公式计算,放大比例为0.01,540*0.01=5.4V,由于是反相电路,还要加上负号,即套用公式的算法和我自己的算法算出来的结果是一样的,但我的算法更易懂(我个人是这认为),并且能算出各点电压,这在维修时可以很快判断出哪个点电压异常,从而较快发现故障点,提高维修效率。( v2 J1 M6 r- g4 p; p  W7 f

3 q4 X& E5 g+ `. T* A; R" \" T有朋友说,输出电压等于两输入电压相加(-2.7+(-2.7)=-5.4),这是不是加法器啊?这其实不是加法器,这个结果只是碰巧,因为这种电路两反馈电阻相同。为了消除朋友的疑惑,我们看看下图。9 _, N6 z2 n2 \) T
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' M3 \: ], m  H8 D! {我把负反馈电阻由10K改为1K,我们看看发生了什么?受测信号电流没变,两输入端电压也没变,但输出变了,因为反馈电阻变小了,反馈电阻的电压由2.7V变成0.27V(0.27MA*1K=0.27V)了,所以输出变成-2.7+(-0.27)=-2.97V了。  c- S# K1 z* f; f# B
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所以,输出电压并不一定等于两输入端电压和,当然,但凡用到这种电路的人,都不轻易改变电路形态,依旧保持两输入电阻,两反馈电阻相等。
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7 O+ ?1 ?5 K. B( t+ z4 C' h上面的计算方法仅对于受测信号与运放不共地的情况下,如果受测信号跟运放大有直接关系,计算方法跟普通放大器计算方面大致相同。看下图6 N0 _! \1 P7 h2 I

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图中是个电流检测电路,在负载回路中串入一小电阻,由小电阻两端获得微弱信号,送到差动放大器进行10倍放大。
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我们先来计算一下负载电流,12V/5.1Ω=2.35A,负载电阻电压为2.35A*5Ω=11.76V(四舍五入),采样电阻电压为12-11.76=0.24V,反相放大10倍,结果应为-2.4V,我们来验证一下。
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先来确实同相端电压,负载电阻电压为11.76V,由此我们算出同相端电压为11.76V/110*100=10.69V,由于虚短,反相端也是10.69V,负反馈电流为(12-10.69)V/10K=0.131MA,负反馈电阻电压为0.131MA*100K=13.1V,左高右低,所以输出电压为10.69-13.1=-2.41V(多出0.01是因为前期四舍五入的偏差),计算结果与套用公式结果无异。还是那句话,通过测量各点电压值正常与否能较快发现故障点,这就是理论的重要性。
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8 V5 P0 [% m/ f# O8 E我们知道,负载有输入电阻,电源有输出电阻,为什么带负载时电压为有所下降?就是电源的输出电阻在作怪。而信号,也会有输出电阻。请看下图。
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7 [- {$ p1 X  p图左是一个反相器,把前级送来的信号进行反向放大,C极获得与输入信号频率相同,相位相反,幅值为12V的信号。
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但如果给输出信号加个负载,阻值与C极电阻一样,结果会怎样呢?如图右,我们看到,输出信号频率和相位没变,但幅值变了为6V,足足少了一半,这就是信号输出电阻(C极电阻)的影响。在电子电路路,经常遇到这样的情况,一些信号(或电压)要去驱动一些负载,但自身的输出电阻因素,造成驱动能力又不够,无力去驱动后级负载,怎么办呢?这个时候,就要在驱动源与后级负载之间加一级缓冲器了,如下图所示。" l- j: L9 Z; O6 l
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/ s" ~7 c2 O( [在驱动源与负载之间加了个三极管,驱动信号直接拉B极,信号处在高电平时,B极有电流流入,从E极流出,流过负载电阻,最后到地,但B极电流的流入,促使三极管迅速导通,产生C极电流,由于三极管有放大作用,C极电流=B基电流*放大倍数,C极电流很大,使三极管达到饱和状态,E极电压约为11.4V,只比B极电压低0.6V,忽略此压降的话,可看成VB=VE,因此保证了对负载电阻有足够的电压幅值,提高了驱动能力。由于这种只放大电流驱动能力,不放大电压,VE随VB而变,即射极电压跟随基极电压而变,人们就把这个三极管电路称为射极跟随器,它也是射极跟随器的鼻祖。后来运放的出现,就有了升级版的射极跟随器,三极管版的,输入输出信号有0.6V压差,但运放版的压差就小很多。下图所示
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朋友们有没有觉得很奇怪,讲差动放大器怎么又讲到射极跟随器来了?大家不要急,请听我慢慢讲。6 U8 @/ v# Q  W4 h; H$ p* l8 A" {! `

/ \- i: q) L& o) Y上面讲的两个差动放大电路,一个是衰减100倍的,一个是放大10倍的,那我们来个既不放大,也不衰减的,怎样?看下图。
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上面这电路有什么作用呢?电压放大倍数为1,即不放大。而电流驱动能力肯定是增强了,对了,它不就是射极跟器吗?没错,其实它就是射极跟随器,不放大电压,只提高电流驱动能力。当然,电路叫什么名字并不重要,重要的是一定要知道它工作原理,这样才能对维修能力有所帮助。
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+ y( V& Z2 s) L; I, {) N其实差动放大器也有同相放大和反相放大,上面讲的都是反相放大,当受测信号的正是接放大器的正,就是同相放大,反之就反相放大,我们拿上面的电流检测电路作一下改动,看下图。
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3 x3 f: T# }% }, W% [+ b3 ~我把采样信号的正负对调了一下,电路就由反相放大变为同相放大了,经计算,放大器输出电压值仍是2.4V,但极性为正了,推导过程我就不写了,有兴趣的朋友可以自己推导一下,看看我一下午辛劳大家吸收了多少。我也不是圣人,如有讲错的地方,请大家及时纠正,谢谢。
dingdangzi 发表于 2005-12-28 02:10:00
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