【運(yùn)放】電壓追隨電路及詳細(xì)分析-KIA MOS管

電壓跟隨器，顧名思義就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。

電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低。

根據(jù)其顯著特點(diǎn)，常見的作用如下：

1.緩沖 在一定程度上可以避免由于輸出阻抗較高，而下一級(jí)輸入阻抗較小時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)損耗，起到承上啟下的作用。

2.隔離 由于電壓跟隨器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點(diǎn)，使得它對(duì)上一級(jí)電路呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，而對(duì)下一級(jí)電路呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，常用于中間級(jí)，以隔離前后級(jí)電路，消除它們之間的相互影響。

在HIFI電路中就包含電壓跟隨器，將其置于前級(jí)和功放之間，用于消除揚(yáng)聲器的反電動(dòng)勢對(duì)前級(jí)的干擾，使得音質(zhì)更加清晰。

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(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反過來會(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，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(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(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，29.999 85uV是一個(gè)很小的電壓，因此對(duì)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(huì)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(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(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)帶來一個(gè)嚴(yán)重的問題，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說，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。

下圖為一個(gè)運(yùn)用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)了電阻分壓的功能的電壓跟隨器電路。

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(duì)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(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，自然也就無法實(shí)現(xiàn)同相端追隨反相端。

但對(duì)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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