运放组成电压跟随器要注意的问题

红灯记

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。）



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. 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。

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。



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