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如何提高运算放大器的输出电流驱动能力

 

2025-03-11 10:54:05

晨欣小编

在某些应用中,单个理想运算放大器能够满足需求,但受现实物理限制的影响,单个放大器往往无法独立实现目标功能。幸运的是,我们可以利用第二个放大器形成复合放大器(Composite Amplifier),以增强整体性能,使其能够执行单个放大器无法完成的任务。

2. 复合放大器的稳定性考虑在典型的复合放大器结构中,如图1(a)所示,次级运算放大器通常被放置在主放大器的反馈回路内。然而,这样的配置可能会引入相位滞后,降低复合放大器的相位裕度 ,影响系统稳定性。因此,在设计时需要采取适当的频率补偿措施,以确保系统稳定运行。

3. 复合放大器的开环增益与噪声增益为了评估复合放大器的稳定性,我们通常采用速率闭合(Rate of Closure, ROC)技术,该方法要求绘制复合放大器的整体开环增益  以及其噪声增益 ,其中  为反馈因子。

3.1 计算开环增益与噪声增益如图1(b)所示,我们在电路中断开某一点,并施加测试电压 。此时,我们定义开环增益为:

同时,噪声增益由下式确定:


在确定  和  之后,我们可以参考图2,分析系统的稳定性,并根据相位裕度需求进行优化。

4. 提高运算放大器的输出电流驱动能力大多数运算放大器的设计输出电流仅在几十毫安范围。例如,经典的741运放最大只能提供25 mA的输出电流。超过此限制可能会触发内部保护电路,防止进一步增加电流,但也可能导致放大器无法正常工作甚至损坏。

为了解决这一问题,可以通过引入电压缓冲器来增强运算放大器的输出电流驱动能力,如图3(a)所示。

5. 缓冲器的推挽输出级设计缓冲电路的核心是由互补晶体管 Q1 和 Q2 组成的推挽输出级:

Q1 负责向负载  提供电流(源电流)。

Q2 负责从  吸收电流(拉电流)。

此外,晶体管 Q3 和 Q4 提供达林顿(Darlington)级,以提高电流增益,并确保在无负载时 Q1 和 Q2 仍能保持微小导通,从而形成 AB 类输出级。AB 类操作可有效避免 B 类放大器固有的交越失真。

6. 电流镜偏置电路分析如图3(b)所示,电路采用电流镜(Current Mirror)结构提供偏置电流:

Q5-Q6 和 Q7-Q8 分别形成两个电流镜,确保所有晶体管共享相同的偏置电流 。

偏置电流由下式确定:


Q6 和 Q8 负责镜像 ,进而偏置 Q3 和 Q4。

由于 Q3 和 Q4 受偏置后,Q1 和 Q2 的基极-发射极电压满足:


在无负载条件下,Q1 和 Q2 需要提供相等的电流,因此它们的集电极电流满足:


7. 结论复合运算放大器通过引入辅助运放提升整体性能,但其稳定性需要特别关注,并可通过适当的补偿措施优化。此外,借助电压缓冲器和推挽输出级,可有效提高运算放大器的输出电流驱动能力,从而满足更大负载电流需求。


 

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