你真的理解了運放的電壓追隨電路嗎?

2020-11-24 電子工程專輯


運放的電壓追隨電路，如圖1所示，利用虛短、虛斷，一眼看上去簡單明了，沒有什麼太多內容需要注意，那你可能就大錯特錯了。理解好運放的電壓追隨電路，對於理解運放同相、反相、差分、以及各種各樣的運放的電路，都有很大的幫助。



圖1 運放電壓追隨電路


電壓追隨電路分析



如果我們連接運放的輸出到它的反相輸入端，然後在同相輸入端施加一個電壓信號，我們會發現運放的輸出電壓會很好的追隨著輸入電壓。


假設初始狀態運放的輸入、輸出電壓都為0V，然後當Vin從0V開始增加的時候，Vout也會增加，而且是往正電壓的方向增加。這是因為假設Vin突然增大，Vout還沒有響應依然是0V的時候，Ve=Vin-Vout是大於0的，所以乘上運放的開環增益，Vout=Ve*A，使得運放的輸出Vout開始往正電壓的方向增加。


當隨著Vout增加的時候，輸出電壓被反饋回到反相輸入端，然後會減小運放兩個輸入端之間的壓差，也就是Ve會減小，在同樣的開環增益的情況下，Vout自然會降低。最終的結果就是，無論輸入是多大的輸入電壓（當然是在運放的輸入電壓範圍內），運放始終會輸出一個十分接近Vin的電壓，但是這個輸出電壓Vout是剛好低於Vin的，以保證的運放兩個輸入端之間有足夠的電壓差Ve，來維持運放的輸出，也就是Vout=Ve*A。


運放電路中的負反饋

這個電路很快就會達到一個穩定狀態，輸出電壓的幅值會很準確的維持運放兩個輸入端之間的壓差，這個壓差Ve反過來會產生準確的運放輸出電壓的幅值。將運放的輸出與運放的反相輸入端連接起來，這樣的方式被稱為負反饋，這是使系統達到自穩定的關鍵。這不僅僅適用於運放，同樣適用於任何常見的動態系統。這種穩定使得運放具備工作在線性模式的能力，而不是僅僅處於飽和的狀態，全「開」或者全「關」，就像它被用於沒有任何負反饋的比較器一樣。


由於運放的增益很高，在運放反相輸入端維持的電壓幾乎與Vin相等。舉例來說，一個運放的開環增益為200 000。如果Vin等於6V，這時輸出電壓會是5.999 970 000 149 999V。這在運放的輸入端產生了足夠的電壓差Ve=6V-5.999 970 000 149 999V=29.999 85uV，這個電壓會被放大然後在輸出端產生幅值為5.999 970 000 149 999V的電壓，從而這個系統會穩定在這裡。正如你所見，29.999 85uV是一個很小的電壓，因此對於實際計算來說，我們可以認為由負反饋維持的運放兩個輸入端之間的壓差Ve=0V，整個過程如圖2所示。這也就是我們熟悉的「虛短」，而由於運放的兩個輸入端之間的阻抗是很大的，自然也就有了「虛斷」。下面的電路具有穩定的1倍的閉環增益，輸出電壓會簡單的追隨輸入電壓。


圖2 負反饋的作用


使用負反饋的一個很大的優勢是，我們不用去關心運放的實際電壓增益，只要它足夠大就可以。如果運放的電壓增益不是200 0000而是250 000，這會使得運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，輸出電壓同樣會等於運放反相輸入端上的輸入電壓。因此，對於電路設計工程師來說，為了實現放大電路的穩定的閉環增益，運放的開環增益沒有必要是一個精確的值，負反饋會使得系統自我調整。


使用負反饋會改善線性度、增益穩定、輸出阻抗、增益的精度，但使用負反饋同樣也會帶來一個嚴重的問題，那就是降低系統的穩定性，而對於單位增益的電壓追隨電路來說，這是一種最壞的情況，尤其是在驅動容性負載的情況下，感興趣的同學可以自己去查閱相關的資料。


關於運放電路，很多時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？


對於今天講的電壓追隨電路來說，只能是反相端追隨同相端。這裡因為如果在反相端施加一個正的輸入電壓，將輸出連接到同相端，同樣假設輸出為0，那Ve會是一個負的電壓，乘以運放的開環增益，那輸出會是一個負的電壓，返回到運放的同相輸入端，會進一步得到一個絕對值更大的負電壓差。很快運放的輸出就會達到飽和，自然也就無法實現同相端追隨反相端。


但對於運放來說，如果在反相端施加參考電壓，配合其它電子元器件，如三極體、MOS等，使得運放的整體環路形成負反饋，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放的反相端追隨同相端的規律。


運放的電壓追隨電路，」虛短」、「虛斷」是表面，而負反饋才是根。基於這個根，可以很好的幫助我們去理解千變萬化的運放電路。



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