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运放组成电压跟随器 要注意的问题

2011-7-14 10:29:44  34158
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本帖最后由 eehome 于 2013-1-5 09:56 编辑

    用运放构成电压跟随器的电路,传统教科书仅是简单的把输出和反相输入端连接起来完事儿(如图一),而实际电路要复杂的多,稳定性问题不可忽视!本文是在一家日本IC厂家网站上找到的,希望对实际应用有一点帮助。

(电压跟随器,顾名思义,就是输出电压与输入电压是相同的,就是说,电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。

电压跟随器的显著特点就是,输入阻抗高,而输出阻抗低,一般来说,输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低,通常可以到几欧姆,甚至更低。

在电路中,电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为,电压放大器的输出阻抗一般比较高,通常在几千欧到几十千欧,如果后级的输入阻抗比较小,那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候,就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是,提高了输入阻抗,这样,输入电容的容量可以大幅度减小,为应用高品质的电容提供了前提保证。

电压跟随器的另外一个作用就是隔离,在HI-FI电路中,关于负反馈的争议已经很久了,其实,如果真的没有负反馈的作用,相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。但是由于引入了大环路负反馈电路,扬声器的反电动势就会通过反馈电路,与输入信号叠加。造成音质模糊,清晰度下降,所以,有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路,试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。但是,由于放大器的末级的工作电流变化很大,其失真度很难保证。)

1.jpg

             图一
Q. 用电压跟随器使运算放大器保持稳定,须注意哪些问题?

A:对于采用负反馈的放大电路,如何减少振荡以保持稳定,目前尚无定论。电压跟随器也不例外。

运算放大器理想的运行状态是输出电压和输入电压为同相,即,当负输入端的印加电压引起输出增大时,运算放大器能够相应地使增加的电压降低。不过,运算放大器的输入端和输出端的相位总有差异。当输出和输出之间的相位相差180°时,负输入与正输入正好相同,原本应该减少的输出却得到了增强。(成为正反溃的状态。)如果在特定频段陷入这一状态,并且仍然保持原有振幅,那么该输出频率和振荡状态将一直持续下去。

2.gif

2. 输入输出端出现相位差的主要原因

其原因大致可分为两种:
1,由于运算放大器固有的特性
2,由于运算放大器以外的反馈环路的特性

2.1. 运算放大器的特性
Fig2a 及Fig2b分别代表性地反映了运算放大器的电压增益—频率特性和相位—频率特性。数据手册中也有这两张曲线图。
如图所示,运算放大器的电压增益和相位随频率变化。运算放大器的增益与反馈后的增益(使用电压跟随器时为0dB)之差,即为反馈环路绕行一周的增益(反馈增益)。如果反馈增益不足1倍(0dB),那么,即使相位变化180o,回到正反馈状态,负增益也将在电路中逐渐衰减,理论上不会引起震荡。
反而言之,当相位变化180o后,如频率对应的环路增益为1倍,则将维持原有振幅;如频率对应的环路增益为大于1倍时,振幅将逐渐发散。在多数情况下,在振幅发散过程中,受最大输出电压等非线性要素的影响,振幅受到限制,将维持震荡状态。
为此,当环路增益为0dB时的频率所对应的相位与180o之间的差是判断负反馈环路稳定性的重要因素,该参数称为相位裕度。
如没有特别说明,单个放大器作为电压跟随器时,要保持足够相位裕度的。
注:数据手册注明「建议使用6dB以上的增益」的放大器,不可用作电压跟随器。
3.gif


2.2. 运算放大器周边电路对反馈环路的影响

在实际应用中,构成电压跟随器并非象Fig1.那样简单地将输入端和输出端直接连接在一起。至少输出端是与某个负载连接在一起的。因此,必须考虑到该负载对放大器的影响。
例如,如Fig3.所示,输出端和接地之间接电容时,这一容量与运算放大器的输出电阻构成的常数造成相位滞后。
(Fig2b.所示之状态可能变化为Fig2c所示之状态)这时,环路增益在输出电阻和C的作用下降低。同时,相位和增益之间不再有比例关系,相位滞后成为决定性因素,使反馈环路失去稳定,最糟糕时可能导致震荡。单纯地在输出端和接地之间连接电容,构成电压跟随器时,每种运算放大器之间的稳定性存在差异。
Fig4.为输入端需要保护电阻的运算放大器可能发生的问题。
为解决Fig3.出现的问题,可采用Fig5.(a)、(b)所示之方法。(a)图中插入R,消除因CL而产生的反馈环路相位滞后。(在高频区,R作为运算放大器的负荷取代了CL而显现出来。) (b)则用C1来消除CL造成的相位滞后。

为解决Fig4.的问题,则可在输入保护电阻上并联一个尺寸适当的电容。一般被叫做“输入电容取消值”的近似值约为10pF~100pF。

4.gif           5.gif










glsabc 2012-3-3 00:06:39
楼主推广技术心得用心良苦,值得尊重!
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kimichen1234 2012-4-19 11:22:43
{:soso_e100:}
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arhar 2012-4-24 15:29:44
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卿寒gyx 2012-8-31 19:53:49
{:20:}{:20:}{:23:}{:23:}{:23:}
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继续向前走 2012-9-23 18:40:32
学习
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王鸣 2012-9-23 19:41:29
做个记号  运放组成电压跟随器
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磁芯 2012-9-23 20:46:27
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江诚 2012-11-11 00:10:20
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止水96 2013-1-4 14:20:44
好东西
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zxlpcb 2013-1-4 14:52:32
谢谢
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苏焕旭 2013-4-1 22:06:26
不错,学习了。
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hua8888 2013-4-3 14:28:20
不错,学习了。
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李生 2013-4-3 14:38:59
学习了,楼主值得佩服
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亮亮 2013-4-9 14:04:33
没怎么懂,认真学习
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674679074 2013-4-9 15:21:02
顶顶顶顶顶顶顶顶
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674679074 2013-4-9 15:22:05
顶顶顶顶顶顶顶顶
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diqituandui 2013-4-16 00:01:47
有道理啊  觉得受教了
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邓天耀 2013-4-23 12:18:41
呵呵。。。。。。。。。。。。。。
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2460171714 2013-7-10 23:43:05
好好学习,天天向上
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