運(yùn)放跟隨電路分析
圖1 運(yùn)放電壓跟隨電路
電壓跟隨電路分析
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電壓信號，我們會發(fā)現(xiàn)運(yùn)放的輸出電壓會很好的跟隨著輸入電壓。
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開始增加的時候，Vout也會增加，而且是往正電壓的方向增加。這是因為假設(shè)Vin突然增大，Vout還沒有響應(yīng)依然是0V的時候，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增加的時候，輸出電壓被反饋回到反相輸入端，然后會減小運(yùn)放兩個輸入端之間的壓差，也就是Ve會減小，在同樣的開環(huán)增益的情況下，Vout自然會降低。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(yùn)放兩個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
這個電路很快就會達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓的幅值會很準(zhǔn)確的維持運(yùn)放兩個輸入端之間的壓差，這個壓差Ve反過來會產(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，一個運(yùn)放的開環(huán)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(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，這個電壓會被放大然后在輸出端產(chǎn)生幅值為5.999 970 000 149 999V的電壓，從而這個系統(tǒng)會穩(wěn)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(shí)際計算來說，我們可以認(rèn)為由負(fù)反饋維持的運(yùn)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(yùn)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(wěn)定的1倍的閉環(huán)增益，輸出電壓會簡單的跟隨輸入電壓。
圖2 負(fù)反饋的作用
使用負(fù)反饋的一個很大的優(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，這會使得運(yùn)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(chǎn)生需要的輸出電壓。在圖2示意的電路中，輸出電壓同樣會等于運(yùn)放反相輸入端上的輸入電壓。因此，對于電路設(shè)計工程師來說，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精確的值，負(fù)反饋會使得系統(tǒng)自我調(diào)整。
使用負(fù)反饋會改善線性度、增益穩(wěn)定、輸出阻抗、增益的精度，但使用負(fù)反饋同樣也會帶來一個嚴(yán)重的問題，那就是降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而對于單位增益的電壓跟隨電路來說，這是一種最壞的情況，尤其是在驅(qū)動容性負(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，很多時候我們都被灌輸反相端跟隨同相端，就像前面所說的那樣，難道就不能同相端跟隨反相端嗎？
對于今天講的電壓跟隨電路來說，只能是反相端跟隨同相端。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(shè)輸出為0，那Ve會是一個負(fù)的電壓，乘以運(yùn)放的開環(huán)增益，那輸出會是一個負(fù)的電壓，返回到運(yùn)放的同相輸入端，會進(jìn)一步得到一個絕對值更大的負(fù)電壓差。很快運(yùn)放的輸出就會達(dá)到飽和，自然也就無法實(shí)現(xiàn)同相端跟隨反相端。
但對于運(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，同樣也能使同相端跟隨反相端，而這也自然打破了我們熟悉的運(yùn)放的反相端跟隨同相端的規(guī)律。
運(yùn)放的電壓跟隨電路，”虛短”、“虛斷”是表面，而負(fù)反饋才是根?；谶@個根，可以很好的幫助我們?nèi)ダ斫馇ё內(nèi)f化的運(yùn)放電路。