运放原理新解（之一）

运放原理新解（之一）
——听咸老师说电子电路系列之一

集成运算放大器，简称运放。三端元件（双端输入、单端输出的电路结构），理想三极管，高增益直流放大器。
理想运算放大器（有时简称运放）的特点如下：
（1）极大的输入电阻
高输入阻抗，输入端流入电流近于0，几乎不取用信号源电流，近于电压控制特性，从而导出“虚断”概念；
（2）极小的输出电阻
具有（在负载能力以内）不挑负载，适应任意负载的特性。后级负载电路的阻抗大小不会影响到输出电压。
（3）无穷大的电压放大倍数（可达十万至千万倍）。这就决定了：在一定供电电压条件下，放大器仅能工作闭环（负反馈）模式下，且实际的放大倍数是有限的；开环模式即为比较器状态，输出为高、低电平二态。
在闭环（有限放大倍数）状态下，放大器的脾性是随机比较两输入端的电位高低，不等时输出级即时做出调整动作，放大的最后目的，是使两输入端电位相等（其差为0V），从而导出“虚短”概念。
其实，在放大过程中，是在进行着“放大不离比较，比较不离放大”动态平衡的调整。

整个模拟电路教程，在大学或高职高专的正统教学规程上，其内容相当庞大，而学习难度尤高，尤其牵涉太多的高等数字运算，因而学习运算电路，被相当多的学子视为畏途，更有人将模拟电路称之为“魔电”，越学越晕，导致不能学以致用。以我本人几十年来对电子电路的原理掌握和实践应用经验为据，写就该章。就我看来，整个运放电路的应用，如果用3个课时来解决掉，掌握原理和检修方法，一步到位修运放电路，是完全可以实现的。

一、提出创意原理符号和简要定义
   集成运算放大器内部含输入级、中间放大器和输出级电路，从维修角度来讲，深究内部电路构成是不必要的（那是器件设计者应该做的事）。我们只要搞清其基本电路原理、引脚功能和故障表现，就可以了。但是，单就运放符号来分析输入、输出级的相互变化，剖析工作原理是有难度的，我的创意是在讲述原理时，将输出级电路搬到经典运放符号的外部，再进而确定输入端和输出级两只管子的对应关系，如此一来，“运放电路原理之难”的面纱将被揭开，掌握其电路原理，即成为轻松愉快的一件事儿了。

图1-1 常规运放符号与创意原理符号
从常规运放符号看，除了输入、输出3个端子，正常工作时还需供电两个端子，这样一来，运放电路其实是个五端元件了。输入端+、－的标记是依据两输入端与OUT端相互影响的电压变化趋势来规定的，若令IN+端接地（或施加固定不变之电压），信号从IN-端进入，输入电压升高时，输出电压是降低的，呈反相关系，则为反相放大器；反之，当信号从IN+端进入，输入电压与输出电压变化则是同步的，则为同相放大器。
将三角形内部的输出级搬出来，即成为图1-1中的b电路了。运放电路的典型供电电压为±15V，其输出级电路为NPN和PNP三极管构成的电压互补式放大器，Q1的c极接+15V，Q2的c极接－15V。±15V电源的公共地（+15V电源的负端）即为信号地（即0V基准），此后所指输入电压、输出电压的高低，均指针对信号地而言。为了图面简洁，将前级电路的供电省略掉。以下原理分析即据b图而为之。
我们先来从比较特性来出发，规定输入端IN+、IN-与输出级Q1、Q2的对应关系：

IN+对应Q1，当IN+> IN-时，Q1导通，使OUT输出电压往+15V上靠拢；

IN－对应Q2，当IN－> IN+时，Q2导通，使OUT输出电压往－15V上靠拢。
当运放电路处于开环状态时，因其放大倍数无穷大之故，只要IN－和 IN+之间略有电位差，其输出
电压即要么接近+15V，要么接近-15V。输出只有高、低电平，而无其它结果，这说明开环时，运放变身为比较器身份，而出离放大器区域了。
二、同相放大器
接上述。运放电路被当作运算放大器应用时，必须工作于闭环状态——将OUT端输出电压引回IN-端构成负反馈通路，如果OUT端与IN-端直接短接，即将输出电压信号全部地引回至反相输入端，则放大器将失掉电压放大能力，处于电压跟随器的工作状态。
1、电路跟随器

图1-2 电压跟随器的电路形式之一
以图1-2中的a电路为例，以输入、输入的原始状态对地电压为0V为静态工作点，分析电压跟随器电路的工作原理。
当放大器同相输入端由原始状态跃升为1V输入信号电压时，因输入端IN+> IN-，Q1开始导通，使输出端向+15V靠近；因输出端反馈信号全部馈回IN-反相输入端的缘故，由放大器脾性可知，至IN-端电压也为1V，两输入端电压相等时，电路进入平衡状态；当IN+端输入负电压信号时，此时因IN－> IN+，Q2导通，使输出电压向-15V靠近，直至两输入端电压相等时，电路进行平衡状态。由此推知，当IN+端输入电源范围以内的电压信号，其输出端也必然输出相应的相等的输出电压。
由电压跟随器电路，可以找到该电路的两个基本特点：
（1）、闭环状态下，当电路达到平衡状态后（实际上，电路的控制速度非常之快，当我们下笔测量时，调整过程已经结束），两输入端电压相等，即其电压差为0V；
（2）、针对电压跟随器这个“特型电路”，其三端——两个输入端和输出端电压——是完全相等的。若有不等，即电路是坏掉的。
上述（1）即教科书中说到的“虚短”概念，适用于一切由运放构成的放大器电路。
那么既然输入、输出电压是完全相等的（即无电压放大作用），添加该级放大器岂不是无用的？答案是否定的。电压跟随器是一个阻抗变换器，变输入高阻为低阻输出，提高带载能力，置身于前、后级电路之间，起到隔离和缓冲作用。如MCU信号输出端口输出2V电压信号时，因拉电流能力约1mA左右，无法直接驱动发光二极管，接入电压跟随器后，同样的电压幅度，则具备了驱动发光二极管的能力。

图1-3 电压跟随器的电路形式之一
网络上有句流行语：“别以为换了个马甲，就不认识你了”。图1-2中的b、c电路和图1-3中的三种电路，虽然添加了部分元件，但从本质上看，仍然是电路跟随器电路。
图1-2中的b、c电路，虽然添加了R1、R2等偏置元件，但由于两输入端“虚断”的缘故，偏置元件中流过的电流近乎为零，其电压降也零，和a电路是没有区别的，只是设计者的考虑不同（有些是考虑到偏置电流的细微影响）罢了。
图1-3中的a电路，添加了负载电阻R3，减弱了电路空载时输出波动，起到稳定输出及消噪的作用，电路仍为电压跟随器；图1-3中的b电路，其(1)输出端串联了D1二极管再输出，起到选择输出电压极性的作用，后级电路只要正电压，不要负压。其(2)输出端串联了R2电阻，起到输出级限流保护作用，避免芯片过载烧毁；图1-3中的c电路，电压反馈信号反应了流经R2电流的大小，当输入电压为稳定值时，输出电流也是恒定的，又称为恒流源电路。而从输入、输出电压关系看，仍然为电压跟随器电路。其电路的优点，是不用设计甚至不用考虑三极管Q1的工作点问题（三极管完全是被动干活的，主动调节器件是运放）。
对放大器电路来说，如何确定输入端和输出端，也是确定电路类型的前提。如图1-2和图1-3电路中：
（1）输入端
因为流经输入电阻的电流为零，电阻两端无电压降，输入电阻的大小和有无，不会影响到输出结果，输入电阻R1的左端和右端，或近似认为运放的两个输入端，都为信号输入端均可，此点电压值即为输入电压值。
（2）输出端
运放本身的输出端，不一定就是信号输出端。原则是：反馈信号取自何处，何处即是输出端。如图1-3中的b电路，D1负端和R2的右端才是信号输出端，该点电压是完全跟踪于输入电压的。至于运放本身输出端到底为何电压值，是与二极管的导通压降和后级负载电流大小有关系的，是变量。而D1负端和R2的右端的输出电压值，则是定量，永远与输入信号幅值是相等的。
关于电路跟随器电路的故障检修，在找准输入、输出端的情况下，只有一条原则：测量三端电压不等，即为故障状态，反之则为正常状态。更为具体的检测方法，请见下文。
2、同相放大器
如果将输出电压按一定比例衰减以后，再馈入反相输入端，电路则具有了电压放大作用。因信号是从同相输入端输入，称为同相放大器。
为了便于说明原理，以图1-4中的a电路（仍将输出级搬于外部）为例。

图1-4 同相放大器
将输出电压经R2、R3分压衰减后，再送入反相输入端，即构成同相放大器电路。当同相输入端输入－3V电压信号，Q2导通，使输出电压往-15V靠近，由R2、R3电阻值可知，当输出端电压值为-6V时，放大器的反相输入端，即R2、R3分压点变为-3V，两输入端电压相等，电路进入平衡状态。改变R2、R3的阻值比例，可灵活改变电路的电压放大倍数。其电压放大倍数=1+（R2/R3）。电路中R1为输入电阻，其值大小不影响放大倍数，R2、R3则成为不可或缺的关键器件。
运放需要与外围分压电路相互作用，构成放大器电路，至此，一个问题浮上水面：在放大器进行的放大活动中，是运放唱主角还是电阻唱主角呢?
是电阻串联分压电路在唱主角！运放仅仅是个配角，尽职尽力地自动配合分压电路，完成其分压意愿——使反相输入端电压等同于输入信号电压。当输入电压变化时，其输出级Q1、Q2工作于可变电阻区，进行随机性的电压调整，以满足分压电路的分压要求。
图1-4中的b电路，在输出回路中串接了R4限流电阻，其R4右端为信号输出端，小有改变，仍为同相放大器电路。该电路中，只在R2有一定电阻值，电路的电压放大倍数即会大于1；当R2阻值小至导线时，电路变身为电压跟随器电路。因而做为同相放大器，只有两种电路形式，一为同相放大器，一为电压跟随器（最小电压放大倍数为1），无法作为衰减器应用。
同相放大器（适用于运放构成的任意放大器电路）故障检修要点：
（1）两输入端电压值相等，即电压差为零，是运放反馈闭环正常，处于正常放大状态的标志之一。如图1-5电路的a电路为正常工作状态。
但要注意其输出电压值取决于R2、R3的电阻比例，当电阻变值时（这也是经常遇到的故障现象），会导致输出结果变坏，但起码运放电路本身是好的。此时的判断方法时，先看R2、R3标称值，再测量反相输入端和输出端的电压值进行落实，如图1-5电路的a电路，简易判别方法是：已知输入电压为3V，即R3两端电压降为3V，因串联回路流过的是同一个电流（不必考虑其大小），则R2两端电压即符合3V/10k的比例关系，如本例，当R2取值也为10k时，说明电路为2倍压同相放大器，将VR3+VR2＝输出电压，若符合，外围电路是好的，若不符合，是R2、R3有变值现象。

图1-5 同相放大器故障检修示例
（2）当两输入端电压不等时，该级电路已经处于异常的故障状态。这需要进一步确定是运放本身还是外围偏置电路的故障。
（a）暂把运放电路当作电压比较器，按比较器的电路规则进行检测。若符合比较器规则，如图1-5中的b电路，同相端电压高于反相端，输出端电压为13.8V，说明运放芯片是好的，故障出在偏置电路。稍加分析可知，是反馈电阻R2断路，放大器的闭环条件被破坏，从而使放大器变身为比较器的原因。
（b）若电路连比较器的原则也不符合，如图1-5中的c电路所示，输入、输出电平变化连比较器的逻辑关系也不成立（电路完全不讲理了），则与外围电路不相干，可以直接判断是运放芯片坏掉，直接换运放芯片即可。
这样，对运放工作状态好坏的判断，变得有规律可循（搭下表笔即可得出确凿的判断结果），从而使检测具有了可操作性。
二、反相放大器结构和定义
如果输入信号进入反相输入端，并且是工作于闭环状态的，其输入、输出电压信号的变化趋势是相反的，即构成反相放大器电路。如图1-6所示，仍然采用创意原理符号绘图。后文中为了图形简洁，对于反相放大器，有时省略掉同相输入端偏置电路，而使同相输入端直接接地。

图1-6 反相放大器的三种基本电路形式
反相放大器，系同相端接地（或经偏置电阻接地），输入信号从反相输入端进入的电路结构。由两输入端“虚短”关系，（因同相端接地之缘故）又可导出“虚地”概念，而此概念仅指反相放大器而言。因设计者的考虑不同，其同相端输入端有直接接地者，也有添加偏置电阻R3而接地者，而在其分析电路原理和故障检修时并无不同。
显然，因其同相输入端接地，放大器的最后控制目的，是在放大区域内，无论输入为何信号，在输出级动态调整下，总是使反相输入端变为0V地电平。上图中，R1为输入电阻，R2为反馈电阻，电路的电压放大倍数=R2/R3。
就此，可得出反相放大器正常工作状态的根本特征：
（1）两个输入端对地均为0V。
（2）输入、输入信号电压呈反向变化趋势，大小取决于R1、R2的比例关系。
如果需要分析或得出检测判断，首先要确定图1-6中电路，何点是信号输入端?
因反相放大器的“虚地”特性，运放器件本身的两个输入端为0V地电平，并不随输入信号电压变化而变化（或仅为瞬态变化，测量中极难捕捉），显然，输入电阻R1右端并非信号输入端，而其左端才是信号输入端，故R2/R1=-VOUT/VIN-（R1左端输入电压）。
或可这样认为：如上图电路中，R1两端即为输入电压，R2两端为反向的输出电压，对该电路电压放大倍数及好坏，仅需用表笔搭上两搭，就一清二楚了——VR1两端电压为输入电压；VR2两端电压为反向的输出电压。
1、反相放大器工作原理
由输入电阻的反馈电阻的比例不同，反相放大器又可分为三种类型的电路。即：
（1）反相器。反馈电阻和输入电阻的比例关系为：R2=R1。
（2）反相放大器。反馈电阻和输入电阻的比例关系为：R2>R1。
（3）反相衰减器。反馈电阻和输入电阻的比例关系为：R2<R1。
其中反相器又称倒相器电路，因输出、输出变化趋势相反、其绝对值相等而得名；反相放大器，具有信号反相和放大双重作用；反相衰减器，具有信号反相和衰减双重作用。三种电路均有普遍应用。
分析其电路原理的出发点，仍为电阻串联分压唱主角，运放器件为配角。或可从输入电流角度进行分析亦可。如上图，将其偏置电路单独画出，更能说明问题。

图1-7反相放大器三种偏置电路
上图a电路，R1、R2组成串联分压电路，信号极性决定了信号电流方向，向从下往下的，即从信号端流向输出端。因流入R1、R2的为同一电流，R1=R2，分压点为0V，故可推知OUT端必然为-1V。输出端的-1V（分压点的0V）是由输出级Q2的导通程度所决定的，是据输入信号自行调整的。
也可换个角度进行分析。因流入R1的信号电流为+1mA，须令流经R2的电流为-1mA，才能使其分压点为0V。而运放器件的任务，就是自动控制R2两端电压（或控制R2中流经与R1等量的反向电流），使其反相输入端变为0V（反相放大器的控制目标）而已。
由此推知，当R2>R1时，为得出流经R2电流仍为R1等量的反向电流，而OUT端必然要调整输出为-3V；当R2<R1时，为得出流经R2电流仍为R1等量的反向电流，而OUT端必然要调整输出为-0.5V。
整个运放电路，说穿了，嗨，就是玩转着电阻串联分压的一个游戏。只要掌握了电阻串联分压电路的分析能力，也就是找到了分析运放电路原理的金钥匙。
2、反相放大器故障检修
（1）反相放大器的正常工作状态。
即符合两个根本特征：
a、两个输入端对地均为0V。
b、输入、输入信号电压呈反向变化趋势，大小取决于R1、R2的比例关系。
不为此，即故障状态。
（2）检修同相放大器的原则仍然适用于反相放大器。
a、“虚地”原则不符合后，先按比较器原则检测，符合之，运放器件好，外围元件故障。
b、不符合比较器原则，则运放器件坏。


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咸庆信
2016年11月13日