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接著上二篇“LM358經典應用電路原理解析(上)!”和“LM358經典應用電路原理解析(中)!”繼續,關鍵原理再說一遍:
虛短 (Virtual Short): 在負反饋電路中,運放的同相輸入端(+)和反相輸入端(-)的電壓近似相等。
虛斷 (Virtual Open): 運放的輸入阻抗極高,因此可以認為流入其兩個輸入端的電流為零。
可調增益儀表放大器


電路功能:
這是一個經典的三運放儀表放大器。它的核心功能是精確地放大兩個輸入端 V1 和 V2 之間的差值電壓 (V1 - V2),同時極力抑制兩個輸入端共同存在的共模電壓(例如噪聲)。它的增益可以通過一個電阻 R2 方便地進行調節。
工作原理:
這個電路可以分為兩級:
第一級(輸入緩沖/增益級): 由左側的兩個運放構成。它們為輸入信號V1和V2提供了極高的輸入阻抗,這意味著該放大器幾乎不會從被測電路上“偷取”電流,從而保證了測量的準確性。這一級的增益由電阻R1、R5和可調電阻R2共同決定。通過調節R2的阻值,可以改變流過R1-R2-R5網絡的電流,從而改變這一級的放大倍數。R2阻值越小,增益越高。
第二級(差分減法級): 由右側的運放構成。它是一個標準的差分放大器,負責接收第一級放大后的兩個輸出信號,并將它們相減,最后輸出一個與原始差分電壓(V1 - V2)成正比的單端信號Vo。由于R3=R4且R6=R7,這一級的增益固定為1。
直流求和放大器


電路功能:
這是一個反相求和放大器。它能將多個輸入電壓V1, V2, V3, V4相加,并在輸出端得到一個與總和成正比的反相電壓。
工作原理:
虛地概念: 運放的同相輸入端(+)接地(0V),根據“虛短”原則,其反相輸入端(-)的電壓也近似為0V。這個點被稱為“虛地點”。
電流求和: 由于反相輸入端是虛地點,流過每個輸入電阻的電流可以獨立計算:I1 = V1/R, I2 = V2/R…
根據“虛斷”原則,沒有電流流入運放輸入端,因此所有輸入電流I1, I2, I3, I4匯合后,必須全部流過反饋電阻R。
輸出電壓: 輸出電壓Vo等于反饋電阻上的壓降,并且是反相的。因此 Vo = -(I1+I2+I3+I4) * R = -((V1/R + V2/R + V3/R + V4/R) * R) = -(V1 + V2 + V3 + V4)。
注意: 圖中給出的公式 Vo = V1 + V2 + V3 + V4 是錯誤的,它忽略了這是一個反相放大器,正確的公式應為 Vo = -(V1 + V2 + V3 + V4)。
脈沖發生器

電路功能:
這是一個非對稱的脈沖發生器(或非穩態多諧振蕩器),用于產生占空比不為50%的脈沖序列。
工作原理:
核心結構: 該電路由一個施密特觸發器(由R3, R5構成的正反饋)和一個RC充放電網絡(由R1, R2, C和二極管IN914構成的負反饋)組成。
非對稱充放電: 電路的關鍵在于二極管IN914。
充電過程(輸出Vo為高電平): 電容0.01μF通過電阻R2 (150kΩ) 充電。這是一個相對較慢的過程。
放電過程(輸出Vo為低電平): 當電容電壓達到施密特觸發器的上閾值時,Vo翻轉為低電平。此時,電容通過R2和并聯的R1與IN914放電。由于二極管IN914正向導通,其電阻極低,使得R1||IN914的總電阻遠小于R1,導致放電回路的等效電阻遠小于充電電阻。這是一個相對非常快的過程。
結果: 慢充電和快放電導致輸出波形的高電平時間(充電時間)遠長于低電平時間(放電時間),從而形成了一串占空比較小的脈沖。

橋式放大器

電路功能:
這是一個惠斯通電橋放大電路,常用于放大來自傳感器(如應變片、壓力傳感器等)的微弱信號。
工作原理:
惠斯通電橋: 左側的四個電阻構成一個電橋。其中R(1+δ)代表傳感器,其阻值會隨物理量的變化而產生一個微小的變化δ。
電橋平衡與失衡: 當傳感器未受力時(δ=0),電橋處于平衡狀態,運放兩個輸入端的電壓相等,輸出Vo為0(或某個基準值)。
當傳感器受力后,其阻值發生變化(δ≠0),電橋失衡,在運放的兩個輸入端之間產生一個非常微小的差分電壓。
差分放大: 運放被配置成一個差分放大器,其任務就是將這個微弱的差分電壓進行放大,放大倍數主要由反饋電阻Rf和電橋臂電阻R的比值決定。
輸出: 最終輸出一個與傳感器變化量δ成正比的、被放大了的電壓信號Vo,便于后續電路(如ADC)進行處理。

直流差動放大器

電路功能:
這是一個兩運放儀表放大器,與圖21的三運放結構相比,它用更少的元件實現了類似的功能——放大差分信號V2 - V1。
工作原理:
組合式結構: 這個電路巧妙地將緩沖、增益和減法功能融合在了兩個運放中。第一個運放(左側)同時處理V1和V2,并提供一個中間輸出。第二個運放(右側)接收這個中間輸出和V2,完成最終的減法和放大操作。
增益設定: 電路的差分增益由公式 Gain = 1 + R4/R3 決定。根據圖示,所有電阻均為100k,因此R4=R3,增益 Gain = 1 + 100k/100k = 2。所以,最終輸出 Vo = 2 * (V2 - V1)。

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