运放的电压跟随电路知多少

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运放的电压跟随电路，如图1所示，利用虚短、虚断，一眼看上去简单明了，没有什么太多内容需要注意，那你可能就大错特错了。理解好运放的电压跟随电路，对于理解运放同相、反相、差分、以及各种各样的运放的电路，都有很大的帮助。


图1 运放电压跟随电路

电压跟随电路分析
如果我们连接运放的输出到它的反相输入端，然后在同相输入端施加一个电压信号，我们会发现运放的输出电压会很好的跟随着输入电压。

假设初始状态运放的输入、输出电压都为0V，然后当Vin从0V开始增加的时候，Vout也会增加，而且是往正电压的方向增加。这是因为假设Vin突然增大，Vout还没有响应依然是0V的时候，Ve=Vin-Vout是大于0的，所以乘上运放的开环增益，Vout=Ve*A，使得运放的输出Vout开始往正电压的方向增加。

当随着Vout增加的时候，输出电压被反馈回到反相输入端，然后会减小运放两个输入端之间的压差，也就是Ve会减小，在同样的开环增益的情况下，Vout自然会降低。最终的结果就是，无论输入是多大的输入电压（当然是在运放的输入电压范围内），运放始终会输出一个十分接近Vin的电压，但是这个输出电压Vout是刚好低于Vin的，以保证的运放两个输入端之间有足够的电压差Ve，来维持运放的输出，也就是Vout=Ve*A。

运放电路中的负反馈
这个电路很快就会达到一个稳定状态，输出电压的幅值会很准确的维持运放两个输入端之间的压差，这个压差Ve反过来会产生准确的运放输出电压的幅值。将运放的输出与运放的反相输入端连接起来，这样的方式被称为负反馈，这是使系统达到自稳定的关键。这不仅仅适用于运放，同样适用于任何常见的动态系统。这种稳定使得运放具备工作在线性模式的能力，而不是仅仅处于饱和的状态，全“开”或者全“关”，就像它被用于没有任何负反馈的比较器一样。

由于运放的增益很高，在运放反相输入端维持的电压几乎与Vin相等。举例来说，一个运放的开环增益为200 000。如果Vin等于6V，这时输出电压会是5.999 970 000 149 999V。这在运放的输入端产生了足够的电压差Ve=6V-5.999 970 000 149 999V=29.999 85UV，这个电压会被放大然后在输出端产生幅值为5.999 970 000 149 999V的电压，从而这个系统会稳定在这里。正如你所见，29.999 85uV是一个很小的电压，因此对于实际计算来说，我们可以认为由负反馈维持的运放两个输入端之间的压差Ve=0V，整个过程如图2所示。这也就是我们熟悉的“虚短”，而由于运放的两个输入端之间的阻抗是很大的，自然也就有了“虚断”。下面的电路具有稳定的1倍的闭环增益，输出电压会简单的跟随输入电压。


图2 负反馈的作用

使用负反馈的一个很大的优势是，我们不用去关心运放的实际电压增益，只要它足够大就可以。如果运放的电压增益不是200 0000而是250 000，这会使得运放的输出电压会更接近Vin一些，更小的输入端之间的电压差用来产生需要的输出电压。在图2示意的电路中，输出电压同样会等于运放反相输入端上的输入电压。因此，对于电路设计工程师来说，为了实现放大电路的稳定的闭环增益，运放的开环增益没有必要是一个精确的值，负反馈会使得系统自我调整。

使用负反馈会改善线性度、增益稳定、输出阻抗、增益的精度，但使用负反馈同样也会带来一个严重的问题，那就是降低系统的稳定性，而对于单位增益的电压跟随电路来说，这是一种最坏的情况，尤其是在驱动容性负载的情况下，感兴趣的同学可以自己去查阅相关的资料。

关于运放电路，很多时候我们都被灌输反相端跟随同相端，就像前面所说的那样，难道就不能同相端跟随反相端吗？

对于今天讲的电压跟随电路来说，只能是反相端跟随同相端。这里因为如果在反相端施加一个正的输入电压，将输出连接到同相端，同样假设输出为0，那Ve会是一个负的电压，乘以运放的开环增益，那输出会是一个负的电压，返回到运放的同相输入端，会进一步得到一个绝对值更大的负电压差。很快运放的输出就会达到饱和，自然也就无法实现同相端跟随反相端。

但对于运放来说，如果在反相端施加参考电压，配合其它电子元器件，如三极管、MOS等，使得运放的整体环路形成负反馈，同样也能使同相端跟随反相端，而这也自然打破了我们熟悉的运放的反相端跟随同相端的规律。

运放的电压跟随电路，”虚短”、“虚断”是表面，而负反馈才是根。基于这个根，可以很好的帮助我们去理解千变万化的运放电路。