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运放电路设计

作者:fanxiaoxi 时间:2024-06-04 收藏

说到运放,是离不开共模、差模、虚短、虚断这些概念的。 大家可以想一下运放是怎么设计出来的。

我们想下前面提到的电流源,就是将电压信号转为电流源。 然后电流源串一个大电阻,就得到一个电压。 这中间的电流源起到中转的作用。 运放内部就是利用三极管对电流源进行控制的。 运放内部设计思想也是通过这种思路一步一步演变来的。

总结下运放设计思想的三部曲吧:

1.电压转为电流。把输入信号电压差转为电流差,然后进行电流差放大。

2.电流转为电压。放大电压。

3.输出。功率放大,电流电压均放大。

电压转为电流,这一步需要进一步来研究。 这个电压就是 Vin,也就是输入电压,那这一步需要共模阻抗十分大。 最好还有电流放大(输入阻抗十分大,输入电流就会非常小,输出高电压的话就需要极大的电阻,设计起来不容易实现)。

我们来讨论下运放第二级的作用。 运放的作用主要就是放大电压,理想的运放是放大无穷倍。 运放放大的是输出对地的幅值,那么,是不是需要把差分电流信号转化为单端对地的电流信号。 由于第一级是两个电压源,因此会有两个电流源。 所以我们要将电流差转为一个对地的电流源。 然后,这个对地的电流源再经过电阻就会输出一个对地的电压了。 只有电流大,电阻值大,电压输出才能很大。 这样这一级的任务算是完成了。

继续仔细想一下,电压输出很高的原因是由于电流经过了大电阻。 幅值虽然是高了,但驱动电流会降低。 因为内阻极大,导致没有了输出能力。 这样的话基本是用不了的。 为了增加驱动能力我们应该怎么处理下呢? 我们能想到了什么器件? 没错,三极管。 它是一个电流器件,可以放大电流。 问题是又想放大电流,又不能降低幅值,所以三极管应该选择电压跟随器的接法。

电流放大了也会带来新的问题,输出不能被短路,电流增大就意味这电阻变小,短路的会很大可能会烧毁器件。 相对于需要上拉输出的比较器,内阻就很大,即使是上拉电阻的阻值也很大,所以比较器是不害怕短路的,即使短路电流也不会很大。 运放就不一样了,很怕输出短路,所以我们还要设计一个输出短路保护。 这样即使使用时不注意短接了,也不至于烧毁器件,可以减少必要的麻烦。

那短路了我们应该怎么做呢? 我们怎么知道是短路呢? 有什么判断条件呢? 既然短路,那肯定电流不会小吧,我们可以采样输出电流。 可以串联一个固定小阻值的电阻,根据电阻上的压降判断电流。 只要电流大于某个值时关断输出,是不是就可以实现输出保护了。 接下来我们一步步的实现这些想法。

我们来看下运放的第一级:

运放第一级

上面这图就实现了,差分小信号——差分小电流-—放大的差分电流信号。 由于阻抗无穷大,所以等效的差分电流极小。 为了更好的控制,所以需要放大差分电流。

电流放大电路

我们看 Q5 的 E 极,放大后的电流相减,再到 Q7 的 BE 极回路,电流就已经放大了。 这个小电流乘以阻抗就会得到一个可控的电压。 这个电压就是 OUT 点单端对地的电压了,这个很大的电阻就是 Q7 的 CE 的阻抗。 现在是不是又实现了单端对地电压信号的输出。 接下来再对 OUT 点进行幅值放大,我们可以用三极管放大。 想要放大电压是不是就是小电流乘以大电阻。 继续重新整理的下图。

运放内部前二级电路

大家看这个图有没有对 C 点的电流流向产生疑问呢?如果 U+ > U-,那么 Ic2 < Ic1,这个时候 Q6 的 BE 会有一部分电流流入,我们说这个电流就是他们放大后的差。相反,如果 U+ < U-,Ic2 > Ic1,那么电流是不能反过来流的。看上图,B 点电位的上升和下降可以看作 Q6 的内阻增大或减小。是不是可以看作 B 点对地的电位变化。C 点的电流变化,引起电位变化,从而影响 B 点的电位变化。这时我们就可以看作由电流差,转为了单端的对地电压 了。现在电压的幅值是变大了,但是没有带载能力,接下来我们还要继续往后看。

A 点要想有带载能力根据上面理论想到射级跟随器,来增大带载能力,按上面提到的还应该要防止输出短路电路。 我们需要检测电流,我们可以在回路上串联一个小电阻,接下来就让这电阻两端的电压驱动某个开关让电路停止输出。

加第三级的运放内部电路

我们来看上图,想一下过流保护的过程。 只要短路,A 点就会拉低,Q10,Q11 的管子就关断了,是不是就起到了保护的作用。 其实到这里运放内部基本已经差不多了。 我们来总结下我们一路走过的过程:

差分放大信号——极小的差分电流信号——电流信号放大——放大电流差——单端对地电压——放大电压幅值——射级跟随器电流放大——短路输出保护

其实这电路里面还有些问题,首先 R1 在实际中为电流源。 C 点在发生改变时 A 点变化会不及时,因为两点间途径了许多三极管,这样就会有许多结电容,造成响应延迟,要想解决这个问题我们需要在两点之间加一个电压不会突变的器件,电容。

接下来再分析下这个电容:

C 点电位发生改变时,A 点电位会跟随变化。 因为电容的两端不能激变。 电路稳定后,我们假设电容的两端压是 2V,这时 C 点电位发生了激变,从 1V 变为了 2V,那么 A 点电位这个时候就变成了 4V。 相当于水涨船高。

运放内部电路

通过分析,C 点和 A 点是反相位,C 点突然变大,对电容进行充电,A 点电位也会升高,A 点电位升高,C 点电位就会下降,这个过程是一个负反馈。 运放内部基本结构知识就这些了,接下里我们就将讨论什么时候会用到这样的电路。



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