運(yùn)放電路設(shè)計(jì)

說到運(yùn)放，是離不開共模、差模、虛短、虛斷這些概念的。 大家可以想一下運(yùn)放是怎么設(shè)計(jì)出來的。

我們想下前面提到的電流源，就是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為電流源。 然后電流源串一個(gè)大電阻，就得到一個(gè)電壓。 這中間的電流源起到中轉(zhuǎn)的作用。 運(yùn)放內(nèi)部就是利用三極管對電流源進(jìn)行控制的。 運(yùn)放內(nèi)部設(shè)計(jì)思想也是通過這種思路一步一步演變來的。

總結(jié)下運(yùn)放設(shè)計(jì)思想的三部曲吧：

1.電壓轉(zhuǎn)為電流。把輸入信號(hào)電壓差轉(zhuǎn)為電流差，然后進(jìn)行電流差放大。

2.電流轉(zhuǎn)為電壓。放大電壓。

3.輸出。功率放大，電流電壓均放大。

電壓轉(zhuǎn)為電流，這一步需要進(jìn)一步來研究。 這個(gè)電壓就是 Vin，也就是輸入電壓，那這一步需要共模阻抗十分大。 最好還有電流放大(輸入阻抗十分大，輸入電流就會(huì)非常小，輸出高電壓的話就需要極大的電阻，設(shè)計(jì)起來不容易實(shí)現(xiàn))。

我們來討論下運(yùn)放第二級的作用。 運(yùn)放的作用主要就是放大電壓，理想的運(yùn)放是放大無窮倍。 運(yùn)放放大的是輸出對地的幅值，那么，是不是需要把差分電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為單端對地的電流信號(hào)。 由于第一級是兩個(gè)電壓源，因此會(huì)有兩個(gè)電流源。 所以我們要將電流差轉(zhuǎn)為一個(gè)對地的電流源。 然后，這個(gè)對地的電流源再經(jīng)過電阻就會(huì)輸出一個(gè)對地的電壓了。 只有電流大，電阻值大，電壓輸出才能很大。 這樣這一級的任務(wù)算是完成了。

繼續(xù)仔細(xì)想一下，電壓輸出很高的原因是由于電流經(jīng)過了大電阻。 幅值雖然是高了，但驅(qū)動(dòng)電流會(huì)降低。 因?yàn)閮?nèi)阻極大，導(dǎo)致沒有了輸出能力。 這樣的話基本是用不了的。 為了增加驅(qū)動(dòng)能力我們應(yīng)該怎么處理下呢? 我們能想到了什么器件? 沒錯(cuò)，三極管。 它是一個(gè)電流器件，可以放大電流。 問題是又想放大電流，又不能降低幅值，所以三極管應(yīng)該選擇電壓跟隨器的接法。

電流放大了也會(huì)帶來新的問題，輸出不能被短路，電流增大就意味這電阻變小，短路的會(huì)很大可能會(huì)燒毀器件。 相對于需要上拉輸出的比較器，內(nèi)阻就很大，即使是上拉電阻的阻值也很大，所以比較器是不害怕短路的，即使短路電流也不會(huì)很大。 運(yùn)放就不一樣了，很怕輸出短路，所以我們還要設(shè)計(jì)一個(gè)輸出短路保護(hù)。 這樣即使使用時(shí)不注意短接了，也不至于燒毀器件，可以減少必要的麻煩。

那短路了我們應(yīng)該怎么做呢? 我們怎么知道是短路呢? 有什么判斷條件呢? 既然短路，那肯定電流不會(huì)小吧，我們可以采樣輸出電流。 可以串聯(lián)一個(gè)固定小阻值的電阻，根據(jù)電阻上的壓降判斷電流。 只要電流大于某個(gè)值時(shí)關(guān)斷輸出，是不是就可以實(shí)現(xiàn)輸出保護(hù)了。 接下來我們一步步的實(shí)現(xiàn)這些想法。

我們來看下運(yùn)放的第一級：

運(yùn)放第一級

上面這圖就實(shí)現(xiàn)了，差分小信號(hào)——差分小電流-—放大的差分電流信號(hào)。 由于阻抗無窮大，所以等效的差分電流極小。 為了更好的控制，所以需要放大差分電流。

電流放大電路

我們看 Q5 的 E 極，放大后的電流相減，再到 Q7 的 BE 極回路，電流就已經(jīng)放大了。 這個(gè)小電流乘以阻抗就會(huì)得到一個(gè)可控的電壓。 這個(gè)電壓就是 OUT 點(diǎn)單端對地的電壓了，這個(gè)很大的電阻就是 Q7 的 CE 的阻抗。 現(xiàn)在是不是又實(shí)現(xiàn)了單端對地電壓信號(hào)的輸出。 接下來再對 OUT 點(diǎn)進(jìn)行幅值放大，我們可以用三極管放大。 想要放大電壓是不是就是小電流乘以大電阻。 繼續(xù)重新整理的下圖。

運(yùn)放內(nèi)部前二級電路

大家看這個(gè)圖有沒有對 C 點(diǎn)的電流流向產(chǎn)生疑問呢?如果 U+ > U-，那么 Ic2 < Ic1，這個(gè)時(shí)候 Q6 的 BE 會(huì)有一部分電流流入，我們說這個(gè)電流就是他們放大后的差。相反，如果 U+ < U-，Ic2 > Ic1,那么電流是不能反過來流的?？瓷蠄D，B 點(diǎn)電位的上升和下降可以看作 Q6 的內(nèi)阻增大或減小。是不是可以看作 B 點(diǎn)對地的電位變化。C 點(diǎn)的電流變化，引起電位變化，從而影響 B 點(diǎn)的電位變化。這時(shí)我們就可以看作由電流差，轉(zhuǎn)為了單端的對地電壓 了。現(xiàn)在電壓的幅值是變大了，但是沒有帶載能力，接下來我們還要繼續(xù)往后看。

A 點(diǎn)要想有帶載能力根據(jù)上面理論想到射級跟隨器，來增大帶載能力，按上面提到的還應(yīng)該要防止輸出短路電路。 我們需要檢測電流，我們可以在回路上串聯(lián)一個(gè)小電阻，接下來就讓這電阻兩端的電壓驅(qū)動(dòng)某個(gè)開關(guān)讓電路停止輸出。

加第三級的運(yùn)放內(nèi)部電路

我們來看上圖，想一下過流保護(hù)的過程。 只要短路,A 點(diǎn)就會(huì)拉低，Q10，Q11 的管子就關(guān)斷了，是不是就起到了保護(hù)的作用。 其實(shí)到這里運(yùn)放內(nèi)部基本已經(jīng)差不多了。 我們來總結(jié)下我們一路走過的過程：

差分放大信號(hào)——極小的差分電流信號(hào)——電流信號(hào)放大——放大電流差——單端對地電壓——放大電壓幅值——射級跟隨器電流放大——短路輸出保護(hù)

其實(shí)這電路里面還有些問題，首先 R1 在實(shí)際中為電流源。 C 點(diǎn)在發(fā)生改變時(shí) A 點(diǎn)變化會(huì)不及時(shí)，因?yàn)閮牲c(diǎn)間途徑了許多三極管，這樣就會(huì)有許多結(jié)電容，造成響應(yīng)延遲，要想解決這個(gè)問題我們需要在兩點(diǎn)之間加一個(gè)電壓不會(huì)突變的器件，電容。

接下來再分析下這個(gè)電容：

C 點(diǎn)電位發(fā)生改變時(shí)，A 點(diǎn)電位會(huì)跟隨變化。 因?yàn)殡娙莸膬啥瞬荒芗ぷ儭?電路穩(wěn)定后，我們假設(shè)電容的兩端壓是 2V，這時(shí) C 點(diǎn)電位發(fā)生了激變，從 1V 變?yōu)榱?2V,那么 A 點(diǎn)電位這個(gè)時(shí)候就變成了 4V。 相當(dāng)于水漲船高。

運(yùn)放內(nèi)部電路

通過分析，C 點(diǎn)和 A 點(diǎn)是反相位，C 點(diǎn)突然變大，對電容進(jìn)行充電，A 點(diǎn)電位也會(huì)升高，A 點(diǎn)電位升高，C 點(diǎn)電位就會(huì)下降，這個(gè)過程是一個(gè)負(fù)反饋。 運(yùn)放內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)知識(shí)就這些了，接下里我們就將討論什么時(shí)候會(huì)用到這樣的電路。