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标题: 单级运放输入端加电容隔直所带来的问题 [打印本页]

作者: 李维强-15级 时间: 2015-6-2 00:00
标题: 单级运放输入端加电容隔直所带来的问题
最近练习电路，之前有个同学发帖遇到一个问题，昨天晚上趁下雨回不去，研究了黑久，今天晚上回来又研究了下。
问题的出处就是这个帖子http://www.cqutlab.cn/thread-26-1-1.html 只不过这个同学电脑有问题，发不起图。。。

电路图如下：

图1
仿真用示波器取了几个点，输出波形如下：

图2

上图2中可以看到，运放输出（绿色）波形被衰减了，很厉害，本来预想就是把0.1V的正弦交流信号放大100倍，但是结果和预想不一致。前面1两个波形还可以，后面衰减了的信号确很小。

敢问这是为什么？

作者: 李维强-15级 时间: 2015-6-2 01:00
下面来写写我的分析：
首先说下这个电路的目的就是为了涂个方便，只取输入信号的负半波来放大，运放故意采用单电源供电。

我改了下电路，在C1右端加了个10K电阻R1对地，再看如下图

图3

图4

上面可以看到输出波形改善很多。但是还是不够好，依照这样的思路，把R1变小，取1K，输出信号就又要好很多

图5

但是取更小，比如500欧，就不行了，输入信号就会因为R1更小而被拉跨，具体原因可以去折算下该频率下 C1的阻抗和R1比较，在R1=500欧的情况下，C1分压严重，导致通过C1后信号衰减很大了。

期间我在图3的基础上，又换了个电路，如下：

图6
该电路意思就是让运放虚短的电压在6V地方，但是这样不能正常工作，输出结果是运放直接进入正向饱和，原因就是出在R1上面，R1电阻太小，和后面的R8比起来小很多，分压很小，导致运放2脚电压很低，这时可以把R1变大，变成100K，看起来效果就好很多了，因为这时，2脚也在6V左右的电压，形成虚短，如果把R1变成无穷大，那么在静态下，2脚的分压就是R8=100K的电阻分压，也就是6V。所以直接去掉R1，就相当于让R1无穷大了，整个电路就正常工作

图7

图8

作者: 李维强-15级 时间: 2015-6-2 01:49
在2楼图7 所示电路，只是给出了一个单电源下，运放为了正常工作，把输入信号的负向端也显示出来的通用办法

现在来讲讲图1所示电路为什么不行：
在图2中我标示了下，蓝色那个曲线的起平位置是示波器 “0格” 那根横轴，那么通过图2可以看到，蓝色那根曲线从开始到后来是逐渐往上飘的，过一段时间过后达到稳定。问题就是出在这里

图9

运放是正常工作的，对于这个单电源反向放大电路，输入端需要负向电压运放才工作，从上图9可以看到，波形才开始的时候，那根蓝线也就是整个运放放大电路的输入端电压了，整个输入端电压是不断往上面抬的，虽然波形没变，但是整体往上面抬了的，导致留在负向端的波形就越来越少，当然输出就会出现绿色曲线那种，看起来呈现衰减趋势。

那么问题是为什么会飘上去，也就是说如果解决了飘上去的问题，也就解决了整个疑问。

首先看，电容还是充放电额过程，信号源给出的波形是正负半周交替出现，首先看，从静态到信号源给出正半周的时候，相当于给电容C1充电，充电回路为C1，R7这两个原件，因为过R7过后，2脚看成虚短到3脚，就对地了。那么信号源给出付半周的时候放电回路是C1，R7，R8，这里R8是100K 很大，所以产生了问题，那就是在负半周里面放电没放完，下次正半周又来充电了，这样就会引起电容电压不断上升，所以说看起来就是往上飘了。
了解原理过后，按照我图3所示加一个R1=1K电阻上去，这样就给了一个放电回路，放电的会后，大部分电流都是从R1过的，所以输出波形就会大大改善，出现类似于预想值了。

作者: 李维强-15级 时间: 2015-6-2 01:51
看到这里，如果就觉得问题解决了的话，就错了

对于3楼的分析，其实是错的，现在太晚了，瞌睡来老，明天再来写。

作者: 薛亮 时间: 2015-6-2 12:49
本帖最后由薛亮于 2015-6-2 12:59 编辑

这个电路的问题就在对于单电源供电时其应用的理解。由于电容充放电的作用，使得C1右边的电压逐步抬高（从C1的输出波形可以看出），其最低点接近于0伏，而运放是一个反向放大器，当C1右端的电压高于0V时（中点的上部），放大器输出也基本为0V,即看到的输出波形的底部的形态；当C1右端低于0V时（中点的下部），放大器有输出，其图形正好和输入反向，从输入和输出图形可以看出还是有放大的。所以该电路不是没有放大作用，只是被放大的那部分信号很小了，输出看到的波形自然也很小了。如果放大器接成正向放大器，输出的波形会大很多，但其顶部又会出现削波的情况。

作者: 李维强-15级 时间: 2015-6-2 23:17
对于这个我直到现在也没弄清楚，我的目的是解释清楚蓝色为什么向上飘
老师说这个是因为放大器放大了直流偏置，从而产生向上飘。当时仿佛想通了，但是我再三考虑，讨论了下，不是这样，个人觉得一定是因为C1电容被充电了，才会出现向上漂的情况，而并不是放大器的原因。

看下图

可以看到这种是模拟了个原来运放的充放电回路，设D1是充电，D2是放电，特地的在放电回路右端加了个3V电压，模拟原来在运放当中，信号源在负半周的时候会有电压产生，在这个电路中，就没有放大，但是同样出现了往上飘。

我现在只能理解成，由于在信号源负半周的前一半（类似于pi/2 到pi*3/2的时候），放电回路 (电容电流从右向左的时候)，这个回路比充电回路电流大，而且有额外附加电压3V的影响，导致电容两端累计了电荷，经过几次震荡过后，累计的电荷越来越多，最后就整体抬上去了。

我试着用一阶非线性非齐次方程来描述，但是我发现我解不来这种方程，

另外，在信号源为正弦波，再把蓝色的线的每一个波峰用线链接起来，则正好是一个同样幅值的，信号源为阶跃信号所产生的曲线，这个更能佐证电容是被充电。

至于那根蓝色的线具体是怎样一个上升过程，可能要解方程才能求出，就是这么想不通。。。。。

作者: 杨奕 时间: 2015-6-3 22:11
说明下，就是电容隔断以后反相端得u+U..后面的U就是把交流信号抬高以后的直流偏置。当然也可以不这样么看，但这时已经失去虚短的意义了，不用电容隔离，直接在正弦信号上逐渐加直流，得到结果与一二楼一样，已验证

作者: 杨奕 时间: 2015-6-3 22:13
理论上也能解释的，回头给你画一串瞬时波形图...也就是用楼上形容的充放电来解释

作者: 李维强-15级 时间: 2015-6-5 18:32

杨奕发表于 2015-6-3 22:11
说明下，就是电容隔断以后反相端得u+U..后面的U就是把交流信号抬高以后的直流偏置。当然也可以不这样么看， ...

我还是没懂起那个直流分量是啥子意思。。我觉得在运放放大区，运放输出的多少电压跟左边的电容没得关系得嘛，我确实没懂起。。
只不过我另外开贴写了个分析麻烦你看看对不对
http://www.cqutlab.cn/thread-55-1-1.html

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