运放的电压跟随电路,如图 1 所示,利用虚短、虚断,一眼看上去简单明了,没有什么太多内容需要注意,那你可能就大错特错了。理解好运放的电压跟随电路,对于理解运放同相、反相、差分、以及各种各样的运放的电路,都有很大的帮助。

 

图 1 运放电压跟随电路


电压跟随电路分析
如果我们连接运放的输出到它的反相输入端,然后在同相输入端施加一个电压信号,我们会发现运放的输出电压会很好的跟随着输入电压。


假设初始状态运放的输入、输出电压都为 0V,然后当 Vin 从 0V 开始增加的时候,Vout 也会增加,而且是往正电压的方向增加。这是因为假设 Vin 突然增大,Vout 还没有响应依然是 0V 的时候,Ve=Vin-Vout 是大于 0 的,所以乘上运放的开环增益,Vout=Ve*A,使得运放的输出 Vout 开始往正电压的方向增加。


当随着 Vout 增加的时候,输出电压被反馈回到反相输入端,然后会减小运放两个输入端之间的压差,也就是 Ve 会减小,在同样的开环增益的情况下,Vout 自然会降低。最终的结果就是,无论输入是多大的输入电压(当然是在运放的输入电压范围内),运放始终会输出一个十分接近 Vin 的电压,但是这个输出电压 Vout 是刚好低于 Vin 的,以保证的运放两个输入端之间有足够的电压差 Ve,来维持运放的输出,也就是 Vout=Ve*A。


运放电路中的负反馈
这个电路很快就会达到一个稳定状态,输出电压的幅值会很准确的维持运放两个输入端之间的压差,这个压差 Ve 反过来会产生准确的运放输出电压的幅值。将运放的输出与运放的反相输入端连接起来,这样的方式被称为负反馈,这是使系统达到自稳定的关键。这不仅仅适用于运放,同样适用于任何常见的动态系统。这种稳定使得运放具备工作在线性模式的能力,而不是仅仅处于饱和的状态,全“开”或者全“关”,就像它被用于没有任何负反馈的比较器一样。


由于运放的增益很高,在运放反相输入端维持的电压几乎与 Vin 相等。举例来说,一个运放的开环增益为 200 000。如果 Vin 等于 6V,这时输出电压会是 5.999 970 000 149 999V。这在运放的输入端产生了足够的电压差 Ve=6V-5.999 970 000 149 999V=29.999 85uV,这个电压会被放大然后在输出端产生幅值为 5.999 970 000 149 999V 的电压,从而这个系统会稳定在这里。正如你所见,29.999 85uV 是一个很小的电压,因此对于实际计算来说,我们可以认为由负反馈维持的运放两个输入端之间的压差 Ve=0V,整个过程如图 2 所示。这也就是我们熟悉的“虚短”,而由于运放的两个输入端之间的阻抗是很大的,自然也就有了“虚断”。下面的电路具有稳定的 1 倍的闭环增益,输出电压会简单的跟随输入电压。

 

图 2 负反馈的作用


使用负反馈的一个很大的优势是,我们不用去关心运放的实际电压增益,只要它足够大就可以。如果运放的电压增益不是 200 0000 而是 250 000,这会使得运放的输出电压会更接近 Vin 一些,更小的输入端之间的电压差用来产生需要的输出电压。在图 2 示意的电路中,输出电压同样会等于运放反相输入端上的输入电压。因此,对于电路设计工程师来说,为了实现放大电路的稳定的闭环增益,运放的开环增益没有必要是一个精确的值,负反馈会使得系统自我调整。


使用负反馈会改善线性度、增益稳定、输出阻抗、增益的精度,但使用负反馈同样也会带来一个严重的问题,那就是降低系统的稳定性,而对于单位增益的电压跟随电路来说,这是一种最坏的情况,尤其是在驱动容性负载的情况下,感兴趣的同学可以自己去查阅相关的资料。


关于运放电路,很多时候我们都被灌输反相端跟随同相端,就像前面所说的那样,难道就不能同相端跟随反相端吗?


对于今天讲的电压跟随电路来说,只能是反相端跟随同相端。这里因为如果在反相端施加一个正的输入电压,将输出连接到同相端,同样假设输出为 0,那 Ve 会是一个负的电压,乘以运放的开环增益,那输出会是一个负的电压,返回到运放的同相输入端,会进一步得到一个绝对值更大的负电压差。很快运放的输出就会达到饱和,自然也就无法实现同相端跟随反相端。


但对于运放来说,如果在反相端施加参考电压,配合其它电子元器件,如三极管、MOS 等,使得运放的整体环路形成负反馈,同样也能使同相端跟随反相端,而这也自然打破了我们熟悉的运放的反相端跟随同相端的规律。


运放的电压跟随电路,”虚短”、“虚断”是表面,而负反馈才是根。基于这个根,可以很好的帮助我们去理解千变万化的运放电路。