用运放构成电压跟随器应注意的几个问题

题外话:用运放构成电压跟随器的电路,传统教科书仅就是简单的把输出与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！本文就是在一家日本IC厂家网站上找到的,希望对实际应用有一点帮助。

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电压跟随器,顾名思义,就就是输出电压与输入电压就是相同的,就就是说,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就

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就是不能很好的工作的。但就是由于引入了

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。但就是,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。

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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。(Fig1、)

运算放大器理想的运行状态就是输出电压与输入电压为同相,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与输出端的相位总有差异。当输出与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,那么该输出频率与振荡状态将一直持续下去。

FIg1、电压跟随器与反馈环路

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

与相位—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与

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之间的差就是判

断负反馈环路稳定性的重要因素,该

参数称为相位裕度。(Fig2b、)

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。

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

端与输出端直接连接在一起。至

少输出端就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,输出端与接

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

益在输出电阻与C的作用下降低。

同时,相位与增益之间不再有比

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

端与接地之间连接电容,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。