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干貨 | 詳解運(yùn)放的電壓追隨電路

時(shí)間:2020-5-15閱讀:455
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運(yùn)放的電壓追隨電路,如圖1所示,利用虛短、虛斷,一眼看上去簡單明了,沒有什么太多內(nèi)容需要注意,那你可能就大錯(cuò)特錯(cuò)了。理解好運(yùn)放的電壓追隨電路,對于理解運(yùn)放同相、反相、差分、以及各種各樣的運(yùn)放的電路,都有很大的幫助。

 

圖1 運(yùn)放電壓追隨電路

電壓追隨電路分析

如果我們連接運(yùn)放的輸出到它的反相輸入端,然后在同相輸入端施加一個(gè)電壓信號,我們會發(fā)現(xiàn)運(yùn)放的輸出電壓會很好的追隨著輸入電壓。

 

 

假設(shè)初始狀態(tài)運(yùn)放的輸入、輸出電壓都為0V,然后當(dāng)Vin從0V開始增加的時(shí)候,Vout也會增加,而且是往正電壓的方向增加。這是因?yàn)榧僭O(shè)Vin突然增大,Vout還沒有響應(yīng)依然是0V的時(shí)候,Ve=Vin-Vout是大于0的,所以乘上運(yùn)放的開環(huán)增益,Vout=Ve*A,使得運(yùn)放的輸出Vout開始往正電壓的方向增加。

 

當(dāng)隨著Vout增加的時(shí)候,輸出電壓被反饋回到反相輸入端,然后會減小運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的壓差,也就是Ve會減小,在同樣的開環(huán)增益的情況下,Vout自然會降低。終的結(jié)果就是,無論輸入是多大的輸入電壓(當(dāng)然是在運(yùn)放的輸入電壓范圍內(nèi)),運(yùn)放始終會輸出一個(gè)十分接近Vin的電壓,但是這個(gè)輸出電壓Vout是剛好低于Vin的,以保證的運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間有足夠的電壓差Ve,來維持運(yùn)放的輸出,也就是Vout=Ve*A。

 

運(yùn)放電路中的負(fù)反饋

然后,這個(gè)電路很快就會達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài),輸出電壓的幅值會很準(zhǔn)確的維持運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的壓差,這個(gè)壓差Ve反過來會產(chǎn)生準(zhǔn)確的運(yùn)放輸出電壓的幅值。將運(yùn)放的輸出與運(yùn)放的反相輸入端連接起來,這樣的方式被稱為負(fù)反饋,這是使系統(tǒng)達(dá)到自穩(wěn)定的關(guān)鍵。這不僅僅適用于運(yùn)放,同樣適用于任何常見的動態(tài)系統(tǒng)。這種穩(wěn)定使得運(yùn)放具備工作在線性模式的能力,而不是僅僅處于飽和的狀態(tài),全“開”或者全“關(guān)”,就像它被用于沒有任何負(fù)反饋的比較器一樣。

 

 

由于運(yùn)放的增益很高,在運(yùn)放反相輸入端維持的電壓幾乎與Vin相等。舉例來說,一個(gè)運(yùn)放的開環(huán)增益為200 000。如果Vin等于6V,這時(shí)輸出電壓會是5.999 970 000 149 999V。這在運(yùn)放的輸入端產(chǎn)生了足夠的電壓差Ve=6V-5.999 970 000 149 999V=29.999 85uV,這個(gè)電壓會被放大然后在輸出端產(chǎn)生幅值為5.999 970 000 149 999V的電壓,從而這個(gè)系統(tǒng)會穩(wěn)定在這里。正如你所見,29.999 85uV是一個(gè)很小的電壓,因此對于實(shí)際計(jì)算來說,我們可以認(rèn)為由負(fù)反饋維持的運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的壓差Ve=0V,整個(gè)過程如圖2所示。這也就是我們熟悉的“虛短”,而由于運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間的阻抗是很大的,自然也就有了“虛斷”。下面的電路具有穩(wěn)定的1倍的閉環(huán)增益,輸出電壓會簡單的追隨輸入電壓。

 

圖2 負(fù)反饋的作用

 

 

使用負(fù)反饋的一個(gè)很大的優(yōu)勢是,我們不用去關(guān)心運(yùn)放的實(shí)際電壓增益,只要它足夠大就可以。如果運(yùn)放的電壓增益不是200 0000而是250 000,這會使得運(yùn)放的輸出電壓會更接近Vin一些,更小的輸入端之間的電壓差用來產(chǎn)生需要的輸出電壓。在圖2示意的電路中,輸出電壓同樣會等于運(yùn)放反相輸入端上的輸入電壓。因此,對于電路設(shè)計(jì)工程師來說,為了實(shí)現(xiàn)放大電路的穩(wěn)定的閉環(huán)增益,運(yùn)放的開環(huán)增益沒有必要是一個(gè)精確的值,負(fù)反饋會使得系統(tǒng)自我調(diào)整。

 

 

使用負(fù)反饋會改善線性度、增益穩(wěn)定、輸出阻抗、增益的精度,但使用負(fù)反饋同樣也會帶來一個(gè)嚴(yán)重的問題,那就是降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而對于單位增益的電壓追隨電路來說,這是一種壞的情況,尤其是在驅(qū)動容性負(fù)載的情況下,感興趣的同學(xué)可以自己去查閱相關(guān)的資料。

 

 

關(guān)于運(yùn)放電路,很多時(shí)候我們都被灌輸反相端追隨同相端,就像前面所說的那樣,難道就不能同相端追隨反相端嗎?

 

 

對于今天講的電壓追隨電路來說,只能是反相端追隨同相端。這里因?yàn)槿绻诜聪喽耸┘右粋€(gè)正的輸入電壓,將輸出連接到同相端,同樣假設(shè)輸出為0,那Ve會是一個(gè)負(fù)的電壓,乘以運(yùn)放的開環(huán)增益,那輸出會是一個(gè)負(fù)的電壓,返回到運(yùn)放的同相輸入端,會進(jìn)一步得到一個(gè)值更大的負(fù)電壓差。很快運(yùn)放的輸出就會達(dá)到飽和,自然也就無法實(shí)現(xiàn)同相端追隨反相端。

 

 

但對于運(yùn)放來說,如果在反相端施加參考電壓,配合其它電子元器件,如三極管、MOS等,使得運(yùn)放的整體環(huán)路形成負(fù)反饋,同樣也能使同相端追隨反相端,而這也自然打破了我們熟悉的運(yùn)放的反相端追隨同相端的規(guī)律。

 

 

運(yùn)放的電壓追隨電路,”虛短”、“虛斷”是表面,而負(fù)反饋才是根。基于這個(gè)根,可以很好的幫助我們?nèi)ダ斫馇ё內(nèi)f化的運(yùn)放電路。

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