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【物联网小技巧】如何用虚短虚断来排查导致电路异常的原因?

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运算放大器是模拟电路中十分重要的元件,它能组成放大、加法、减法、转换等各种电路,在电路设计中应用十分广泛。那么,如果电路异常,我们应该怎样排查是否是运算放大器损坏的原因呢?那就是运用运放的“虚短”和“虚断”来分析电路,然后结合一些小技巧就可以判断了接下来,让我们先了解一下,什么是“虚短”和“虚断”。

虚短

虚短指在理想情况下,两个输入端的电位相等,这样可以将两个输入端看作短接在一起,但事实上并没有短接,称为“虚短”虚短的必要条件是运放引入深度负反馈。

由于运放的电压放大倍数很大,一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的,一般在 10 V~14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV,两输入端近似等电位,相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大,两输入端的电位越接近相等。

虚断

虚断指在理想情况下,流入集成运算放大器输入端电流为零。这是由于理想运算放大器的输入电阻无限大,就好像运放两个输入端之间开路。但事实上并没有开路,称为“虚断”。

由于运放的差模输入电阻很大,一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA,远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路,且输入电阻越大,两输入端越接近开路。

示例分析

如图1所示,是常见的反相比例运算放大电路,下面用虚短和虚断的方法来分析电路。

图片1.png

1 反向放大器

在反相放大电路中,信号电压通过电阻R1加至运放的反相输入端,输出电压Vo通过反馈电阻Rf反馈到运放的反相输入端,构成电压并联负反馈放大电路。

运放的同相端接地等于0V,反相端和同相端虚短,所以也是0V。反相输入端输入电阻很高,虚断,几乎没有电流注入和流出,那么R1和Rf相当于是串联的,因为流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相的,即流过R1的电流和流过Rf的电流相等

根据欧姆定律可以得到

Is= (Vs- V-)/R1 ………a

If= (V- - Vo)/Rf ……b

V- = V+ = 0 ………………c

Is= If ……………………d

  求解后可能Vo== (-Rf/R1)*Vi

了解了虚短虚断的原理后,我们就可以通过它,在实际应用的运放电路中来判断器件的好坏了。根据放大器虚短的原理,如果运放线性工作,其同向输入端和反向输入端电压必然相等,即使有差别也是mv级。当然在某些高输入阻抗电路中,万用表的内阻会对电压测试有点影响,但一般不会超过0.2V,如果有0.5V以上的差别,则放大器必坏无疑!
      在很多仪器仪表中,都有集成运放作小信号的放大之用,它较其他集成块和元件易坏,所以能迅速判断其好坏可以说是修理仪器仪表的一条捷经。比较复杂的仪器仪表中的集成块很多是直接焊接在印刷线路板上,线路板插在插座内,各线路板之间的距离也很小,要想直接测量电压很困难。下面提出一些简便、实用的判断集成运放块的方法。
1、通电一段时间后手摸集成运放块的温度,如温度大于50℃应怀疑其是否损坏。
2、若可能的话,测其直流电流,应在几毫安以内。否则就是损坏。
3、集成运放有单运放和几个运放组合在一起的,应熟悉它的电源及输入、输出脚。这也有一定规律可找及查找有关的手册即可知道。集成运放的输入脚之间电阻应比较大(一般大于10 M欧),测量值小时应观察输入端有无限值的二极管,否则是损坏无疑。
4、在线测量输入电压应比较小。一般0.1 V以下。用手接触输入端,电压应会在输出端有变化,或用手接触反馈电阻二端(相当于并联一个电阻),输出也会相应变化。


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