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  • 電壓追隨電路與詳細解析
    • 發布時間:2022-09-15 18:56:42
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    電壓追隨電路與詳細解析
    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恒小于且接近1。
    電壓跟隨器的顯著特點就是,輸入阻抗高,而輸出阻抗低。
    根據其顯著特點,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,而下一級輸入阻抗較小時產生的信號損耗,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,使得它對上一級電路呈現高阻狀態,而對下一級電路呈現低阻狀態,常用于中間級,以隔離前后級電路,消除它們之間的相互影響。
    在HIFI電路中就包含電壓跟隨器,將其置于前級和功放之間,用于消除揚聲器的反電動勢對前級的干擾,使得音質更加清晰。
    運放 電壓追隨電路
    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,然后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,然后當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是大于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,然后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范圍內),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是剛好低于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
    然后,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。
    這不僅僅適用于運放,同樣適用于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,而不是僅僅處于飽和的狀態,全“開”或者全“關”,就像它被用于沒有任何負反饋的比較器一樣。
    由于運放的增益很高,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等于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后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里。
    正如你所見,29.999 85uV是一個很小的電壓,因此對于實際計算來說,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”,而由于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。
    運放 電壓追隨電路
    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,輸出電壓同樣會等于運放反相輸入端上的輸入電壓。因此,對于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,尤其是在驅動容性負載的情況下。
    下圖為一個運用運放實現了電阻分壓的功能的電壓跟隨器電路。
    運放 電壓追隨電路
    關于運放電路,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。
    但對于運放來說,如果在反相端施加參考電壓,配合其它電子元器件,如三極管、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?;谶@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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