运放直流通路的必要性

只看该作者 · 2023-2-19 18:31

运算放大器是电子产品的重要器件，广泛应用于电子行业当中，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器，有源滤波器，振荡器及电压比较器。但有些重要性能需要重点关注，一旦设计不合理，会造成产品失败。

常用的单输出运放，是六个pin的设计，同相输入端，反相输入端，电源正，电源负，输出以及null空余pin。运放的使用，有一个重要的要求就是同相和反相输入端需要直流通道的建立。所谓的直流通道就是运放需要建立直流静态工作点，如果没有直流通道，运放就不可能正常工作。以下面的同相放大电路的分析举例说明：

信号输入直流偏置Vdc=0V, 交流成分是Vac=0.1sinwt，信号频率是1KHz，

放大比例1+R1/R2=10

按照理论结果，输出信号是Vout-10Vac，信号频率也是1KHz。但是从仿真的结果来看，输出并不是，而是固定的-10V信号，显然这是运放饱和，输出恒定负Vcc。这就是由于同相输入端由于C1的作用，没有直流通路。反向输入端由于R1和R2的存在，具有直流通路。

至于为什么需要直流通路，从运放内部的框图就能知道了。这是由于运放是输入级是差分输入对，Q17-Q18,Q20-Q21必须正常工作才能运放正常工作。现在C1将Q20-Q21的基级通路断开了，那么就不能建立静态工作电。所以运放也就不能按照负反馈的方式，将输出信号放大比例1+R1/R2=10。

现在知道了原因，建立直流通道，输出就能正常工作了。增加电阻R3，输出正常

将输入交流信号放大10倍，信号频率是1KHz。

提到直流通路的概念，就需要再讨论输入信号存在直流成分的时候，应该如何处理。

信号输入直流偏置Vdc=1V, 交流成分是Vac=0.1sinwt，信号频率是1KHz，

放大比例1+R1/R2=10

此时电路如果没有C1的隔直作用，输出就会饱和消顶

因为Vdc=1V也会放大10倍，电源正电压是10V，再加上交流信号放大10倍。就会超过电源电压提供的最大能力。造成输出饱和。

遇见这种情况，会说加上电容不就解决了。确实如此，输出信号信号仅仅放大了交流成分，输出信号没有直流偏置。但是有的产品设计中，会要求保留直流偏置不变，只放大交流成分。

这个时候，就要用到上文提到的直流通路概念。直流偏置电压可以放大十倍，是由于虚短后，反相端也有直流偏置，就可以放大。但是将反相端的直流通路断开，那么反相偏置电压就相当于跟随器，直接到输出。交流信号依然具备放大比例1+R1/R2=10的能力。按照这种思考方式，只需要在R2和GND之间增加一个电容，就可以实现直流偏置不变，交流成分放大十倍的效果。