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[技术讨论]

运放输出电压为什么会限制

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sinasun|  楼主 | 2023-4-16 18:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
对于闭环系统的反相放大器,输入输出特性曲线的斜率是-R1/R2,是线性变化。就是按照下图仿真的结果。但有时候设计电路的时候会发现,即使输出电压还没有达到电源电压,输出电压的信号也是受到限制,运放进入非线性区域。那么R1R2的阻值选取,以及输入信号幅值的选取应该遵循什么原则,才能让输出电压不工作在非线性区?
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对于运放的输出工作在非线性区的原因,只要有两点:一就是运放的输出电流有限制,有最大输出电流±Imax,超过这个Imax,运放就没有输出能力了。下图是品牌: PUOLOP(迪浦)LM358的最大输出电路能力,只有40mA
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第二原因就是运放有一定的输出电压摆浮Vmax,也就是运放的输出电压受电源电压的限制,如果不是轨对轨的运放,输出最大电压是电源电压减去一个电压值:
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一旦运放的输出特性超过了以上分析的两个值,运放就会工作在非线性区。从反相放大电路的工作过程也可以看出,由于虚短原理,输入信号产生的流过R1和输出电压流过R2的电流是相等的,此时Iin=Vin/R1就是运放输出电流的最大值(此时也可称作运放的source current),一旦Iin超过这个值,那么输出电流就不变,,此时可以将运放看作是一个恒流源,其输出电流就是Imax。那么输出电压Vout=Vin-Imax*(R2+R1),也就是输出电压基本保持不变。此时运放是工作在非线性区
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AD820双电源供电电压可以达到15V,输出最大电流Imax=45mA左右。从仿真图中可以看出一个有趣的现象,输出电压的波形有三个区间的变化。第一个区间,自然是线性放大区,此时反相放大电流的放大因子Av=-5,在输入信号在±3V的范围,输出在±15V范围。此时满足反相放大器特性,运放工作在线性区。随后输出电压达到电源电压,此时即使输入信号幅值增加,输出电压也不会增加,输出电压达到极限值,但是输出电流还没有达到最大值。此时运放进入第二个区间,也是非线性区,同相反相端不再满足虚短原则,由于运放的最大输出电流还没有达到,输出电流Iout=Voutmax-Vin/(R1+R2), Voutmax=-15V, R1+R2=0.6K,当Ioutmax=45mA的时候,就可以计算出Vin=13V。所以在Vin=[3 13][-13 -3]的区间,运放工作在非线性区,输出电压达到电源电压。这个非线性区是限压而不限流
随后运放进入第三个区间,运放输出电流达到极限值,输出电流恒定,此时输出电压就不是电源电压,会发生变化。输出电压Vout=Vin-Imax*(R1+R2),所以输出信号随着输入信号的增大而增加,斜率就是1。仿真也显示,当Vin大于13V,输出电流达到最大值Imax,输入Vin不断增加,输出电压Vout也在增加。此时要看电压的数值变化,而不能仅仅是看电压的幅值。
Vin=-14V的时候,此时输出电流Imax=-45mA,是source currentVout=Vin+45mA*600Ω
Vin=14V的时候,此时输出电流是Imax=45mA,是Sink current;  Vout=Vin-45mA*600Ω
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要理解输出电压在第三个区间,等效电路的转化过程中,输出电流达到最大值,即使是恒流源,也有恒流源电流的方向变化。这个非线性区是限流而不限压。进而根据上文分析,限流的作用更明显,只要输出电流达到最大值,就会改变电压。
在我们实际是过程中,可能碰不到这种极限的运放使用情况,但是得理解运放工作在非线性区后,会出现什么波形,为工程应用中打下基础!

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cooldog123pp 2023-5-29 20:37 回复TA
楼主写的很详细 

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