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电压跟随器工作在什么区 电压跟随器工作区域深度解析与分类探讨 电压跟随器 原理

电压跟随器正常职业时,其内部的运算放大器(运放)必须职业在线性区(也称为放大区或线性职业区)

下面内容是详细解释:

1. 电压跟随器的结构: 它的核心一个运算放大器,其输出端直接连接到反相输入端(负反馈),输入信号施加在同相输入端。

2. 理想运算放大器的条件:

虚短:两个输入端之间的电压差无限接近于零(V+ ≈ V-)。

虚断:流入两个输入端的电流无限接近于零。

3. 跟随原理:

由于输出电压 `Vout` 通过反馈路径直接连接到反相输入端 `V-`,因此 `V

  • = Vout`。
  • 根据“虚短”,同相输入端 `V+` 和反相输入端 `V-` 电位近似相等,即 `V+ ≈ V-`。

    `V+ ≈ V

  • ≈ Vout`。
  • 而 `V+` 就是输入电压 `Vin`,因此 `Vout ≈ Vin`。实现了输出电压跟随输入电压。

    4. 为什么必须职业在线性区

    实现“虚短”的关键: “虚短”(V+ ≈ V-)这个核心原理,只有在运放职业在线性区时才成立。在线性区,运放的输出可以精确地响应两个输入端之间的微小电压差(通过巨大的开环增益)。

    负反馈的影响: 电压跟随器是深度负反馈电路(反馈系数 β = 1)。负反馈迫使运放职业在线性区,以最小化输入端的差分电压(V+

  • V-),从而使输出电压精确跟随输入电压。
  • 饱和区的失效: 如果运放进入饱和区(输出达到正电源轨或负电源轨),它将失去放大能力。此时:

    “虚短”不再成立:输入端可能存在较大的电压差(V+

  • V-)。
  • 输出被钳位在电源电压附近:`Vout` 不再响应 `Vin` 的变化(除非 `Vin` 的变化路线能使其退出饱和),无法实现跟随功能 (`Vout ≈ Vin` 失效)。

    截止区的失效: 标准电压跟随器结构通常不会职业在截止区(运放内部晶体管完全关闭),由于负反馈回路通常会驱动运放进入线性区或饱和区。

    什么情况下会进入饱和区

    如果输入电压 `Vin` 超出了运放允许的输入共模电压范围或试图将输出电压 `Vout` 驱动到超出运放的输出摆幅范围(接近正负电源电压),运放就会饱和。例如:

    电源轨为 ±15V 的运放,试图跟随 Vin = +16V 的信号,输出将被钳位在约 +14.5V(无法达到 +16V),进入正饱和情形。

    电源轨为 ±15V 的运放,试图跟随 Vin = -16V 的信号,输出将被钳位在约 -14.5V(无法达到 -16V),进入负饱和情形。

    输入信号超出运放规格书允许的共模电压范围(即使 `Vin` 在电源轨之内)。

    电压跟随器为了精确实现 `Vout ≈ Vin` 的功能,其内部的运算放大器必须依靠深度负反馈稳定地职业在线性区。这是保证“虚短”成立和跟随功能正确的必要条件。设计和使用时必须确保输入信号和预期的输出信号范围在运放的线性职业范围(输入共模范围和输出摆幅范围)之内,以防止进入饱和区导致跟随失效。


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