当前位置: 华乐知识库 > 知识库 > 电工 > 详情
同相放大器结构原理
运放电路被当作运算放大器应用时,必须工作于闭环状态——将OUT端输出电压引回IN-端构成负反馈通路,如果OUT端与IN-端直接短接,即将输出电压信号全部地引回至反相输入端,则放大器将失掉电压放大能力,处于电压跟随器的工作状态。
1、电路跟随器


图1 电压跟随器的电路形式之一
以图1中的a电路为例,以输入、输入的原始状态对地电压为0V为静态工作点,分析电压跟随器电路的工作原理。
当放大器同相输入端由原始状态跃升为1V输入信号电压时,因输入端IN+> IN-,Q1开始导通,使输出端向+15V靠近;因输出端反馈信号全部馈回IN-反相输入端的缘故,由放大器脾性可知,至IN-端电压也为1V,两输入端电压相等时,电路进入平衡状态;当IN+端输入负电压信号时,此时因IN-> IN+,Q2导通,使输出电压向-15V靠近,直至两输入端电压相等时,电路进行平衡状态。由此推知,当IN+端输入电源范围以内的电压信号,其输出端也必然输出相应的相等的输出电压。
由电压跟随器电路,可以找到该电路的两个基本特点:
(1)、闭环状态下,当电路达到平衡状态后(实际上,电路的控制速度非常之快,当我们下笔测量时,调整过程已经结束),两输入端电压相等,即其电压差为0V;
(2)、针对电压跟随器这个“特型电路”,其三端——两个输入端和输出端电压——是完全相等的。若有不等,即电路是坏掉的。
上述(1)即教科书中说到的“虚短”概念,适用于一切由运放构成的放大器电路。
那么既然输入、输出电压是完全相等的(即无电压放大作用),添加该级放大器岂不是无用的?答案是否定的。电压跟随器是一个阻抗变换器,变输入高阻为低阻输出,提高带载能力,置身于前、后级电路之间,起到隔离和缓冲作用。如MCU信号输出端口输出2V电压信号时,因拉电流能力约1mA左右,无法直接驱动发光二极管,接入电压跟随器后,同样的电压幅度,则具备了驱动发光二极管的能力。


图2 电压跟随器的电路形式之一
网络上有句流行语:“别以为换了个马甲,就不认识你了”。图1中的b、c电路和图2中的三种电路,虽然添加了部分元件,但从本质上看,仍然是电路跟随器电路。
图1中的b、c电路,虽然添加了R1、R2等偏置元件,但由于两输入端“虚断”的缘故,偏置元件中流过的电流近乎为零,其电压降也零,和a电路是没有区别的,只是设计者的考虑不同(有些是考虑到偏置电流的细微影响)罢了。
图2中的a电路,添加了负载电阻R3,减弱了电路空载时输出波动,起到稳定输出及消噪的作用,电路仍为电压跟随器;图2中的b电路,其(1)输出端串联了D1二极管再输出,起到选择输出电压极性的作用,后级电路只要正电压,不要负压。其(2)输出端串联了R2电阻,起到输出级限流保护作用,避免芯片过载烧毁;图2中的c电路,电压反馈信号反应了流经R2电流的大小,当输入电压为稳定值时,输出电流也是恒定的,又称为恒流源电路。而从输入、输出电压关系看,仍然为电压跟随器电路。其电路的优点,是不用设计甚至不用考虑三极管Q1的工作点问题(三极管完全是被动干活的,主动调节器件是运放)。
对放大器电路来说,如何确定输入端和输出端,也是确定电路类型的前提。如图1和图2电路中:
(1)输入端
因为流经输入电阻的电流为零,电阻两端无电压降,输入电阻的大小和有无,不会影响到输出结果,输入电阻R1的左端和右端,或近似认为运放的两个输入端,都为信号输入端均可,此点电压值即为输入电压值。
(2)输出端
运放本身的输出端,不一定就是信号输出端。原则是:反馈信号取自何处,何处即是输出端。如图2中的b电路,D1负端和R2的右端才是信号输出端,该点电压是完全跟踪于输入电压的。至于运放本身输出端到底为何电压值,是与二极管的导通压降和后级负载电流大小有关系的,是变量。而D1负端和R2的右端的输出电压值,则是定量,永远与输入信号幅值是相等的。
关于电路跟随器电路的故障检修,在找准输入、输出端的情况下,只有一条原则:测量三端电压不等,即为故障状态,反之则为正常状态。更为具体的检测方法,请见下文。
2、同相放大器
如果将输出电压按一定比例衰减以后,再馈入反相输入端,电路则具有了电压放大作用。因信号是从同相输入端输入,称为同相放大器。
为了便于说明原理,以图3中的a电路(仍将输出级搬于外部)为例。


图3 同相放大器
将输出电压经R2、R3分压衰减后,再送入反相输入端,即构成同相放大器电路。当同相输入端输入-3V电压信号,Q2导通,使输出电压往-15V靠近,由R2、R3电阻值可知,当输出端电压值为-6V时,放大器的反相输入端,即R2、R3分压点变为-3V,两输入端电压相等,电路进入平衡状态。改变R2、R3的阻值比例,可灵活改变电路的电压放大倍数。其电压放大倍数=1+(R2/R3)。电路中R1为输入电阻,其值大小不影响放大倍数,R2、R3则成为不可或缺的关键器件。
运放需要与外围分压电路相互作用,构成放大器电路,至此,一个问题浮上水面:在放大器进行的放大活动中,是运放唱主角还是电阻唱主角呢?
是电阻串联分压电路在唱主角!运放仅仅是个配角,尽职尽力地自动配合分压电路,完成其分压意愿——使反相输入端电压等同于输入信号电压。当输入电压变化时,其输出级Q1、Q2工作于可变电阻区,进行随机性的电压调整,以满足分压电路的分压要求。
图3中的b电路,在输出回路中串接了R4限流电阻,其R4右端为信号输出端,小有改变,仍为同相放大器电路。该电路中,只在R2有一定电阻值,电路的电压放大倍数即会大于1;当R2阻值小至导线时,电路变身为电压跟随器电路。因而做为同相放大器,只有两种电路形式,一为同相放大器,一为电压跟随器(最小电压放大倍数为1),无法作为衰减器应用。
同相放大器(适用于运放构成的任意放大器电路)故障检修要点:
(1)两输入端电压值相等,即电压差为零,是运放反馈闭环正常,处于正常放大状态的标志之一。如图4电路的a电路为正常工作状态。
但要注意其输出电压值取决于R2、R3的电阻比例,当电阻变值时(这也是经常遇到的故障现象),会导致输出结果变坏,但起码运放电路本身是好的。此时的判断方法时,先看R2、R3标称值,再测量反相输入端和输出端的电压值进行落实,如图4电路的a电路,简易判别方法是:已知输入电压为3V,即R3两端电压降为3V,因串联回路流过的是同一个电流(不必考虑其大小),则R2两端电压即符合3V/10k的比例关系,如本例,当R2取值也为10k时,说明电路为2倍压同相放大器,将VR3+VR2=输出电压,若符合,外围电路是好的,若不符合,是R2、R3有变值现象。


图4 同相放大器故障检修示例
(2)当两输入端电压不等时,该级电路已经处于异常的故障状态。这需要进一步确定是运放本身还是外围偏置电路的故障。
(a)暂把运放电路当作电压比较器,按比较器的电路规则进行检测。若符合比较器规则,如图4中的b电路,同相端电压高于反相端,输出端电压为13.8V,说明运放芯片是好的,故障出在偏置电路。稍加分析可知,是反馈电阻R2断路,放大器的闭环条件被破坏,从而使放大器变身为比较器的原因。
(b)若电路连比较器的原则也不符合,如图4中的c电路所示,输入、输出电平变化连比较器的逻辑关系也不成立(电路完全不讲理了),则与外围电路不相干,可以直接判断是运放芯片坏掉,直接换运放芯片即可。
这样,对运放工作状态好坏的判断,变得有规律可循(搭下表笔即可得出确凿的判断结果),从而使检测具有了可操作性。

您可能感兴趣的
  • 张某向榆中县公安局提出开办旅店的申请,如果张某的材料不齐全,县公安局最迟应在收到申请材料之日起五个工作日内告知张某补正。()

  • 行政许可的设立机关应当定期对其设定的行政许可进行()。

  • 制动器的工作行程不得超过全行程的____。

  • 在低压干线式供电系统中,干线电缆供电的三相电动机越多,根据电阻并联总电阻小的原理可知,干线电缆的电阻就越小。

  • 为保证在电缆隧道内施工作业安全,电缆隧道内应有()。

  • 关于保密立法,我国尚处于起步阶段,已经形成一个具备完整性、适用性、针对性的法律体系。判断对错

  • 简述学生焦虑症产生的原因

  • 结合幼儿园具体实际,试论述幼儿园的保教结合的原则在幼儿园中有哪些体现?

×
验证