为什么这个运算放大器电路中有额外的电阻?

电器工程 电源 运算放大器 电压调节器
2022-01-24 05:36:18

我正在尝试用更新的运算放大器替换 LM4250。我对这个电路的看法是,运算放大器被配置为单位增益电压跟随器,它驱动推挽放大器以提供来自微调器 R1 的电压。

在此处输入图像描述

我不明白的是R3,R4和R5。

4个回答

要理解这个电路,您必须想象 OP-AMP 内部引脚 7、6、4 上的推挽晶体管对。它使用 OP-AMP 的电源引脚作为反相双输出来简化下一个驱动级。

这是一个黑客。

将 OP-AMP 更换为另一种类型需要彻底测试,因为这种电路是一种黑客行为。


修正案:

Andy aka 指出输入偏置电流非常小,以至于我最初对 R4 的想法是不正确的。我错误地指出:

R4 用于平衡运算放大器的输入偏置电流,如本文所述: 运算放大器输入偏置电流补偿

我同意 Andy aka,但我还不确定 R4 如何保护运算放大器的输入免受超出其可接受输入范围的输出电压的影响。因此,我无法说出 R4 实际做了什么,除了 Andy aka 保护运算放大器输入的想法比我的更有可能。


要了解 R3 和 R5 的作用,首先要了解典型运算放大器的输出级,特别是当运算放大器向负载提供电流时会发生什么,以及当它从负载吸收电流时情况如何变化。

当连接到运算放大器输出的负载试图将该输出“拉低”到某个较低的电位时,运算放大器的上输出晶体管(下图中的 Q1)将打开以试图抵消这种情况。据说运算放大器的输出是源电流。要实现的关键点是所有这些额外电流都通过运算放大器的正电源端子进入:

在此处输入图像描述

但是,如果负载试图“拉高”输出电位,则运算放大器会通过打开 Q2 来计数。在这种情况下,电流现在进入输出,运算放大器被称为吸收电流。同样,要注意的关键是这个“沉没”电流现在从运算放大器的负电源端子出现:

在此处输入图像描述

现在参考您的原理图,两个电阻器 R3 和 R5 正好位于运算放大器通过其输出提供或吸收的任何电流(超过其正常工作电流)的路径中。

您还应该注意到,这些电阻器直接连接在其各自晶体管 Q1 或 Q2 的基极-发射极结上,这意味着 R3 或 R5 上的电压上限为 0.7V 左右。因此运算放大器的电源电压会降低一点(1.4V 左右),但不会降低很多。

现在考虑当运算放大器想要提高其输出电压时会发生什么,而不是在那里连接的任何负载的影响。它开始从其输出中获取电流,该电流必须来自其正电源,通过 R5。R5 中增加的电流导致其两端的电压升高,关键是,Q1 的开启更加困难(因此 Q3 也是如此。请注意,Q1 和 Q3 形成了一个极高增益的 PNP“Sziklai 对”)。Q1 和 Q3 一起变得更具导电性,接管了提高输出电位的作用,并减轻了运算放大器的任何高电流需求。

事实上,Sziklai 对几乎承担了“拉高”输出电压的所有工作,而运算放大器几乎不需要做任何工作。

以 R3 和 NPN Sziklai 对的形式采用类似的布置,可以处理运算放大器需要从负载吸收电流的情况。

总之,通过运算放大器电源“电流检测”电阻器和 Sziklai 对以响应检测到的电流的这种组合,运算放大器的有限输出电流能力得到了提升。结果是输出电压稳定且由运算放大器很好地调节,但也能够满足重负载的需要,尽管运算放大器的输出很弱,但会吸收或提供电流。

我不明白的是R3,R4和R5。

这是一个相当专业的电路,仅适用于以前测试过的配置,因此,如果您要更换运算放大器,请仔细彻底地对其进行测试。

  • R4 防止运算放大器引脚 2 出现过压情况
  • R3 和 R5 是偏置和驱动输出晶体管的专用电路的一部分,而不是使用运算放大器输出直接驱动 BJT 的基极。
  • 引脚 8 上的R2使其成为非标准运算放大器电路,找到替代品不仅仅是在公园里散步。

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在评论(见上文)中已经提到 R4 是为了减少输入偏置电流误差,但这是不正确的。芯片的最大输入偏置电流为 80 nA(整个温度范围内的最差情况),如果省略 R4,我们将看到 80 nA 的最大输入电压误差乘以同相输入端的有效电阻。该电阻在最坏情况下为 1400 Ω,因此,最坏情况下的误差为 (1400 x 80) nV = 112 μV。

考虑到运算放大器的正常失调电压可以在 +/- 6000 μV 范围内,建议 R4 降低输入偏置电流误差是荒谬的说法。

回到我关于保护输入电路的观点,请考虑这一点;运算放大器的电源电压不是 8 伏和接地的完整电源轨(参考 OP 的电路图);两个电阻器 R3 和 R5 会稍微降低它。但是,输出电压可以达到任一电源轨的约 0.7 伏,并且如果没有 R4,到达输入的电压很可能会超过(一点点)运算放大器电源轨上的电压。鉴于数据表中的此声明:-

在此处输入图像描述

毫不奇怪,R4 用于保护引脚 2 上的输入。


该电路可能还存在另一个问题,这是由于运算放大器输出直接连接到电路输出。我很想在输出端串联一个小电阻,如下图红色所示:-

在此处输入图像描述

它不需要超过几十欧姆,如果发现不需要,它可以很容易地变成零欧姆。但是,如果您查看数据表(第 9 页),设备内部似乎有一个 100 欧姆电阻器,但考虑到运算放大器输出可能会被迫高于其电源轨,与使用相同的基础R4 保护引脚 2,值得在电路上进行额外的小额投资(特别是如果您正在尝试寻找替代运算放大器)。

从输出节点上的“2.65 至 2.70V”注释来看,该电路似乎是一个 2.7V 电源,可通过 R1 微调至所需电压。

R3 和 R5 与运算放大器轨内联,也跨 Q1 和 Q2 的基极发射极结。为了让 Q1(或 Q2)做任何事情,R5(或 R3)上必须至少有 0.6V。在 560 欧姆时,将有 1mA 电流流过它。

因此,对于高达 1mA 的输出负载,运算放大器将为负载提供所有必要的电流。

超过 1mA 时,运算放大器将开始通过 R3(或 R5)拉动足够的电流,使晶体管开始开启,此时它们提供所需的大部分电流负载。无论负载如何,运算放大器都不必提供超过 mA 的电流。

LM4250 是一款时髦的专用运算放大器,带有一个额外的“偏置”输入引脚 8,如果我正确推断数据表,150K 的 R2 值似乎将标称电源电流设置在 50uA 附近。不知道为什么/如果这是一个特别关键的参数。

R4 的加入是有问题的。正如其他人指出的那样,有时会使用一个电阻器来平衡来自运算放大器输入的偏置电流的直流偏移。但是这里我们有一个微调器来微调输出,所以任何偏移都将被归零。并且输出电压电平固定在 2.7V,因此不会出现过压(除非出现一些外部连接事故)。

用另一个运算放大器替换 LM4250 可能工作正常,但电路取决于标称电源电流消耗。典型的运算放大器可以消耗 1mA 或更多电流,因此您可能会发现您的晶体管在空载时开启,这可能不是您想要的。如果是这种情况,只需降低 R3 和 R5 的值,以便在晶体管开启之前需要更多电流。