【技术专辑】如何缓冲运算放大器输出以获得更高电流,第1部分

只需一个双极结晶体管,就可以大大提高运算放大器的输出电流。

 

支持信息

 

•运算放大器简介

 

我们需要电流缓冲电路吗?

 

运算放大器是通用的,但是它们的应用范围受到输出电流限制的限制。一个典型的运算放大器可以连续吸收或提供不超过30或40 mA的电流,尽管某些部件可以处理接近100 mA的电流,而其他部件则很难为您提供10 mA的电流。有一类特殊的高输出电流放大器,电流能力接近甚至超过1000 mA。如果高输出电流部件与您的应用兼容,请务必使用它。但是有几个原因可能会让您更喜欢缓冲更通用的放大器的输出。首先,一些高输出电流放大器是专门用于特殊应用的复杂部件,因此,它们通用性较低且成本较高 - 例如LT1210,一个可驱动1100 mA的线性技术部件,如果您少量购买,将会让您回到12美元。此外,一些高输出电流部件(包括LT1210)是电流反馈放大器,您不能简单地将电流反馈设备放入专为电压反馈拓扑设计的电路中。

 

幸运的是,当您需要的是具有高输出级的基本运算放大器电路时,确实不需要使用高输出电流放大器。你可以使用你在实验室/车间/车库周围放置的75美分通用放大器之一,并将它与另一美元左右的标准部件组合在一起,你将拥有所需的电路。

 

只有一个BJT

 

缓冲运算放大器输出电流的最基本电路如下:

 

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这是一个相应的LTspice原理图:

 

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在继续之前,让我们对这个电路有一个可靠的概念性理解。输入施加到同相运算放大器端,输出直接连接到BJT的基极。运算放大器和BJT可以使用相同的正电源,但在这种情况下,我们假设有两个电压可用 - 5 V电源用于低功耗,低噪声电路,12 V用于高功率部分设计。负载电阻的值非常低,因此直接施加到负载的输出电压大于约200 mV将需要比LT6203提供的输出电流更多的输出电流。

 

LTspice原理图中选择的晶体管可以处理大约1000 mA,这意味着它适用于高达5 V的负载电压。

 

该电路的关键是反馈连接。记住“虚拟短路”:在负反馈配置中分析运算放大器时,我们可以假设同相端的电压等于反相端的电压。仅这一点告诉我们输出电压(即负载两端的电压)将等于输入电压。但是,让我们更深入一点,以确保我们真正了解正在发生的事情; 虚拟短是一种迷信,它可以让我们分散运算放大器运作的现实。运算放大器将差分输入电压乘以非常大的增益。因此,在负反馈的情况下,运算放大器迅速达到平衡,因为输出电压的大幅变化会降低导致这些输出变化的差分电压。在这种平衡状态下,运算放大器以任何使V IN-等于V IN +所需的方式自动调节其输出。

 

在此输出缓冲电路的环境中,运算放大器自动生成使BJT的发射极电压等于输入电压所需的任何输出电压。想想在开环情况下这将是多么困难 - 某种程度上放大器的输入 - 输出关系必须设计为补偿BJT的基极 - 发射极电压降,这既不是线性的也不是可预测的。但是对于运算放大器加上一些负面反馈,这个问题变得微不足道。

 

让我们通过几个模拟强化这种概念性理解。第一个不是很令人兴奋; 它只是确认输出电压跟踪输入电压(V IN走线隐藏在V OUT走线下方):

 

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下一个波特图显示了运算放大器输出端必须做什么才能在负载上产生适当的电压。

 

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增益

 

该基本电路不限于单位增益配置。与非缓冲运算放大器一样,您可以在反馈路径中插入电阻,以创建从输入到负载电压的总增益。这是电路的非单位增益版本:

 

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这是新的LTspice原理图,接着是V IN,V OUT和施加到BJT基极的电压的图。

 

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简单,但不是万无一失

 

有了这样一个可靠,直接的电路,总会有自满的风险。以下是您需要记住的一些潜在问题:

 

1.这是显而易见的,但要确保BJT能够处理您的负载电流。例如,您在备件中找到的2N2222晶体管的额定电流仅为800 mA连续集电极电流。

 

2.这个不是那么明显:你是否超过了晶体管的最大功耗?这个问题特别难以捉摸,因为它是你在模拟中可能没有注意到的事情 - 例如,本文中的模拟并没有提醒我们我们正在燃烧2SCR293P晶体管。“每个端子安装在参考焊盘上”(我不太确定这意味着什么)的这个部件的最大功耗为0.5 W.在我们的电路中,如果V OUT= 3 V,通过负载的电流为(3 V)/(5Ω)= 600 mA,晶体管的集电极 - 发射极电压为12 V - 3 V = 9 V.因此,功耗约为(600 mA)×(9 V)= 5.4 W.因此集电极电流在可接受的范围内,但我们已超过最大功率10倍!如果可能,您可以通过使用较低的电源电压来解决此问题,之后,您需要选择功率更高的晶体管。

 

3.当BJT工作在有源区时,流入基极的电流近似等于负载电流除以β,否则称为h FE或DC电流增益。因此,运算放大器仍然需要提供一些电流,如果你有高负载电流和相对微弱的运算放大器输出级,你可能会遇到麻烦。例如,如果您的负载电流为2500 mA并且您使用的是h FE = 100 的晶体管,则需要大约25 mA的基极电流; 有些运算放大器无法做到这一点。

 

4.请记住,运算放大器的输出电压比负载电压高约0.7-0.9 V. 在选择运算放大器的电源电压时,您必须考虑到这一点。例如,假设您需要0到4 V的负载电压范围; 5 V供电是否足够?也许不是:基准电压可能需要高达4.9 V,如果运算放大器的输出摆幅限制在正轨减去0.8 V,那么你就会遇到问题。

 

5.当基极电压超过集电极电压约0.5 V时,BJT将开始进入饱和状态,并且由于基极电压比负载电压高约0.7-0.9 V,因此BJT的集电极电压(在此电路中与电源电压)需要至少比最大所需负载电压高0.9 V - 0.5 V = 0.4 V. (这些数字是近似值,将根据工作条件和晶体管的电气特性而变化。)BJT饱和将导致负载电压在达到BJT电源电压之前达到稳定水平。

 

结论

 

我认为我们已经详细介绍了这款运算放大器电流缓冲电路。在下一篇文章中,我们将研究该电路的变化,使其与更广泛的应用兼容。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计