运放原理新解之三

运放原理新解之三
——听咸老师说电子电路系列之一

加法器 减法器

在电压跟随器、同相放大器、反相器、反相放大器、反相衰减器等5种基本电路之外，尚有加法器、差分放大器、精密半波整流电路、积分电路、微分电路等常用运放电路，在本文内再做进一步简要介绍，其中，加法器、差分放大器和精密半波整流电路应用极为广泛。
1、加法器
（1）同相加法器
同相加法器电路，是指一路以上输入信号进入同相输入端，输出结果为多路信号相加之和。如图1-11中的a电路，当R1＝R2，R3=R4时，其输出电压=IN1+IN2，即构成加法器电路。若R3>R4，则构成加法放大器电路。

图1-11同相加法器和原理等效图
 图1-11中的b部分给出3种信号输入情况下的3种输出结果示意电路。同运放的5种基本电路有所不同，该电路可等效为R1/R2；R3/R4两组电阻串联分压电路，其中R1/R2为信号输入回路；R3/R4为反馈回路，有“相互关联”的关系：前者为主，后者为从，后者分压是前者分压的影射。根据如图1-11中的a电路放大模式，可用上图b电路中的(1)电路进行简化分析：
由放大器“虚短”特性可知，a、b点即两个串联支路分压点的电压值是相等的（这由此产生两组独立分压电路的关联性），当a点电压变化时，b点电压也随之相应变化（运放内部输出级电路自动调整的结果），OUT输出端的结果自然满足R3/R4的分压特性——放大器自动调整使b点电压＝a点电压。因而，当IN1=IN2=1V时，R1/R2分压电路无输入电流流通条件，R1、R2分压回路因无电流流通，R1（或R2）两端无电压降，此时a、b点电压俱为1V，而OUT端则为2V（换言之，为了使b=1V，OUT端自动输出2V）。从控制闭环的角度来看， a点信号输入电压为目标值，电路控制的任务和目的，使输出级做出相应动作控制，即使b点反馈电压值等于a点电压。
上图b电路中的(2)电路：当IN1+IN2之和等于1V时，R1、R2分压点为0.5V，因R1、R2与R3、R4两分压支路的影射作用，此时a、b点电压俱为0.5V，OUT端输出1V；上图b电路中的(3)电路：当IN1+IN2之和等于－2V时，自然OUT端也会自动输出-2V，电路忠实地将输入信号进行加运算后输出其相加之和。
（2）反相加法器
反相加法器电路，又称为反相求和电路，是指一路以上输入信号进入反相输入端，输出结果为多路信号相加之绝对值（电压极性相反）。如图1-12中的a电路，当R1=R2=R3=R4时，其输出电压=IN1+IN2+IN3的绝对值，即构成反相加法器电路。当R4>R1时，电路兼有信号放大作用。

图1-12反相加法器和原理等效图
反相加法器的基本电路结构为反相放大器，由其“虚地”特性可知，两输入端俱为0V地电位。这就决定了电路的控制目的，是使反相输入端电位为0V（同相输入端目标值为0V）。以上图a电路电路参数和输入信号值为例进行分析，则可得出如上图b所示的等效图。反相加法器的偏置电路总体上仍为串联分压的电路形式，但输入回路中又涉及了电阻并联分流的电路原理，可列等式：IR4=IR1+IR2+IR3。反相加法器的“机密”由此得以披露。
   由于反相输入端为地电位0V，因而当输入信号IN3＝0V时该支路无信号电流产生，相当于没有信号输入，由此变为IN1+IN2=-OUT。当IR1（1V/10k）=0.1mA，IR2（1V/10k）=0.1mA，此时只有当OUT输出为-2V时，才满足IR4=IR1+IR2的条件。
若将原理等效图进一步化简（见图1-12中的c电路），一个非常熟悉的身影便会映入我们的脑海：这不就是反相放大器电路吗？是的，没错，反相求和（反相加法器）电路，就是反相（含放大和衰减）器啊。
实际应用中，因同相加法器存在明显缺陷，因输入阻抗极高，信号输入电流只能经多个IN端自成回路（会造成输入信号电压相互牵涉而变化导致较大的运算误差），除非各种IN信号源内阻非常小，才不会影响计算精度。因而应用较少。反相求和电路因其“虚地”特性，输入阻抗极低，使各路信号输入电流以“汇流模式”进入输入端，不会造成各输入信号之间的电流流动，故能保障运算精度，应用较多。
2、差分放大器（亦名减法器）
虽然运放电路为典型的双端输入、单端输出的三端器件，但上文所述多为单端应用（即一端用于信号输入，一端接地），由此可以看出任一信号回路的两端特性，一端接地，一端即信号。就同相放大器而言，信号输入同相端，反相器必有接地回路；就反相放大器而言，信号从反相输入端进入，则同相端即为接地端。由接地回路的不同，甚至也可以判断放大器类型为同相放大器亦或反相放大器。
如果有两路输入信号，分别从两个输入端同时输入，即双端输入，单端输出的工作模式，即为差分放大器（亦名减法器）。

图1-13差分放大器的基本电路形式
差分放大器，据从输入、输出方式的不同，可分为双端输入、双端输出；双端输入、单端输出；单端输入、双端输出，单端输入、单端输出等多种电路形式，其中就运放器件电路构成的差分放大器而言，双端输入、单端输出的电路形式应用广泛。
差分放大器的电路优点：放大差模信号抑制共模信号，在抗干扰性能上有“过人之处”，这与其电路结构是分不开的。可以用两只三极管电路搭建一个如图1-13中的a电路，说明差分放大器的电路特性。
（1）对单电源供电的放大器电路，其输出端（即Q1\Q2的C极）静态工作点为1/2Vcc最为适宜，能保障其最大动态输出范围。只要RC1、RB1等偏置元件取值合适，则可使UC1、UC2的静态电压为2.5V，即静态差分输出电压2.5V－2.5V＝0V；
（2）电路设计尽可能使Q1、Q2的静态工作参数一致，二者构成“镜像”电路，RE为电流负反馈电阻，其直流电阻小，动态电阻极大（流过的电流近乎恒定），以提升电路的差分性能。
（3）当IN+=IN－时，或者二者信号电压同步升降时，OUT+、OUT-端电压也在同步升降，且升、降幅度相等，其输差分输出值仍会为0V。如二路输入信号在静态基础上产生了Q1、Q2基极电流的同样增量，则集电极电压会产生下降，如由2.5V降低为1.5V时，则UC1-UC2=1.5V－1.5V＝0V，这说明电路对共模输入信号不予理会，具备优良的抗干扰性能。
众所周知，RS485通讯电路，就是利用差分总线传输方式，产生了强有力的抗干扰效果。
（4）当IN+、IN－输入信号在静态基础上有相对变化，即IN+-IN-≠0时，如IN+输入电压往正方向变化时，OUT-会往负方向变化（同时OUT+会往正方向变化），使得两个输出端反向偏离2.5V产生了信号输出。当OUT-为1.5V，OUT+为3.5V时，此时使产生了2V的信号电压输出。
说明电路对差模信号进行了有效放大。差分放大器是有选择性的放大器，忽略共模干扰，放大有用信号。
图1-13中的b电路，是用运放器件构成的差分放大器。图中明显看到，无论输入信号是2.5V或5V，只要IN1=IN2，OUT端即是0V。从此角度和意义上来讲，当差分放大器的偏置元件R1=R3，R2=R4时，并且IN1=IN2时，其输出端是“虚地”的。
双端输入、单端输出差分放器的输出端为何会呈现“虚地”特性呢？

图1-14 差分放大器工作状态图
上图a电路，是输入信号IN1=IN2的状态。
（1）因输入端的“虚断”特性，同相输入端为高阻态，其输入电压值仅仅取决于R1、R2分压值，为2V。同相输入端的2V电压可以看作成为输入端比较基准电压；
（2）因两输入端的“虚短”特性，可进而推知其反相输入端，即R3、R4串联分压电路，其b点=a点=2V。这是反馈电压。放大器的控制目的是使反馈电压等于基准电压；
（3）由R1=R3，R2=R4条件可知，放大器输出端只有处于“虚地”状态，即输出端为0V，才能满足b点=a点=2V，这可以由此导出差分放大器的一个工作特征。
上图b中的(1)电路，是IN1>IN2的状态。
（1）此时因同相输入端电压高于反相输入端，输出端电压往正方向变化，其R3、R4偏置电路中的电流方向如图所示；
（2）由R3、R4的阻值比例可知，R3两端电压降为（2.8V－1.5V）/10k，则R4两端电压降为1.3V×4=5.2V，输出端电压为2.8V+5.2V＝8V。
（4）此时的输入电压差为IN1-IN=2V，输出电压为8V。显然，该差分放大器的差分电压放大倍数=R4/R3  是4倍压差分放大器。由此可以推知差分放大器的差分输入放大倍数为 (1N1-IN2) ×R4/R3 =-OUT
上图b中的(2)电路，是IN1<IN2的状态。
此时因反同相输入端电压高于同相输入端，输出端电压往负方向变化，其R3、R4偏置电路中的电流方向如图所示。同样，依R3、R4的阻值比例可推知，在此输入条件下，输出端电压为-8V，电路依然将输入差分信号放大了4倍。
从电路的工作（故障）状态判断来说，直接测量R3、R4串联电路的分压状态，只要R3、R4串联分压是成立的，则电路就大致上（起码运放芯片）就是好的；电路的电压放大倍数也由此得出；只要测量输入电压差（R1、R3左端电压差），再测量输出端电压进行比较，则外围偏置电路的好坏，也会得出明确的结论。
检修模拟电路，就变得直捷有效，有据可依，有章可循了。


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咸庆信
2016年11月15日