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(hào)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)運(yùn)放的輸出電壓會(huì)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(huì)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(méi)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(huì)減小運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的壓差，也就是Ve會(huì)減小，在同樣的開環(huán)增益的情況下，Vout自然會(huì)降低。最終的結(jié)果就是，無(wú)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(huì)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(lái)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

 

這個(gè)電路很快就會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓的幅值會(huì)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(guò)來(lái)會(huì)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(lái)，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(jiàn)的動(dòng)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(méi)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(lái)說(shuō)，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(huì)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(huì)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(huì)穩(wěn)定在這里。正如你所見(jiàn)，29.999 85uV是一個(gè)很小的電壓，因此對(duì)于實(shí)際計(jì)算來(lái)說(shuō)，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(guò)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(huì)簡(jiǎn)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(shì)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(huì)使得運(yùn)放的輸出電壓會(huì)更接近Vin一些，更小的輸入端之間的電壓差用來(lái)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(huì)等于運(yùn)放反相輸入端上的輸入電壓。因此，對(duì)于電路設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，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(méi)有必要是一個(gè)精確的值，負(fù)反饋會(huì)使得系統(tǒng)自我調(diào)整。

 

使用負(fù)反饋會(huì)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(huì)帶來(lái)一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，那就是降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而對(duì)于單位增益的電壓追隨電路來(lái)說(shuō)，這是一種最壞的情況，尤其是在驅(qū)動(dòng)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(shuō)的那樣，難道就不能同相端追隨反相端嗎？

 

對(duì)于今天講的電壓追隨電路來(lái)說(shuō)，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(huì)是一個(gè)負(fù)的電壓，乘以運(yùn)放的開環(huán)增益，那輸出會(huì)是一個(gè)負(fù)的電壓，返回到運(yùn)放的同相輸入端，會(huì)進(jìn)一步得到一個(gè)絕對(duì)值更大的負(fù)電壓差。很快運(yùn)放的輸出就會(huì)達(dá)到飽和，自然也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)同相端追隨反相端。

 

但對(duì)于運(yùn)放來(lái)說(shuō)，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?；谶@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。

 

 

推薦閱讀：

 

對(duì)更高功率密度的需求推動(dòng)電動(dòng)工具創(chuàng)新解決方案