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- M8 {% j, m. H4 o) ]: K
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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。
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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。: N' W- J, ~; v! b+ p
9 T g: g% F+ R( I7 v/ @- r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。2 }8 c f: P8 @, {+ N9 s/ ~
) T+ v: ~. j( I! _1 R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。$ G v+ Q: J: t( F6 L+ U+ ~
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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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图中，受测电压为540VDC，上正下负。! ^9 p5 z' ^) B$ u9 v
/ {' Q7 {# r* O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。
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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。& W+ B' t o" A) p
7 M* e1 k* q \8 K& z2 t. m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。2 O3 S$ E, D! I. V0 I
7 s8 x% e5 P p% b2 ?1 T$ q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。0 c' y1 v* t/ p7 A
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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。
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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。- `) M# g4 l) x- ~
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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
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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。7 e! q# Q1 @2 Z6 q* U
+ A# Y. Z; c. I5 J7 J' x+ E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。* m$ q+ E: a' \4 f
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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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6 J1 ~: T) a: k- ?9 X* O$ F0 p6 s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。
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" \8 S; Y! _. ?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% W7 g( |( H0 V) B( H9 a: M
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- G0 A- h% H3 k3 I7 C) ]$ i0 ?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。" ^( o2 e9 |6 F. Y$ s$ s
' `+ ]2 \( @. j2 H# T5 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。2 H8 m. `2 w! Q9 _+ @( {
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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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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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# v$ M1 b- I4 m% k' a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。 |
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