在运放的输出环节,应连接至同相端或反相端?
硬件工程师笔记 2024-06-14

最近对RTD测温感兴趣,看了很多资料,图1是其中的一个电路。当时很纳闷的是,为什么该电路中运算放大器的输出接到了同向输入端,而不是一般常看到的反向输入端,今天终于想明白了。因此,本文的内容就是先把这个问题讲清楚。

1 ADI KWIK-ebook_cn中的一个RTD模拟前端电路

我们都知道,运算放大器是为了闭环、工作在线性区而特别优化设计的。当然在一些应用里,故意让它工作在饱和区,比如比较器,或者震荡器等;但我们先不考虑这些。那么如何让运算放大器工作在线性区呢?很简单,负反馈。图1是一个最简单的运算放大器闭环模型,图中的控制框图很直观体现了负反馈的概念。

2 TI精密实验室稳定性章节的一个闭环模型图

如何实现负反馈呢?也很简单,输入与输出相位相差180°即可。以前面提到的RTD模拟前端电路中的恒流源为例,我们可以看到,它很像典型的源极跟随器。那么,源极跟随器的特点是什么?NMOS的栅极电压与源极电压同相位,与漏极电压相差180°,参见图3。当Vg电压增加后,Vs电压增加,但是Vd电压会减小。

3 源极跟随器(只看拓扑即可,忽略器件参数)

现在我们终于明白了,为什么图4电路中NMOS的漏极接在了运算放大器的同向输入端,而不是反向输入端。因为NMOS自身的栅极与漏极电压相位相差了180°,如果它的漏极接在了反向输入端,那么运算放大器的输入和输出相位就变成了360°了,这不是负反馈而是正反馈了。需要提醒的是,运算放大器的输出与反向输入端相位为180°。

4 RTD模拟前端电路的恒流源电路(与D2并联的是负载RL,图中忽略了)

最后总结一下,很多电路中,运算放大器的输出并不是都接在反向输入端,所以真正理解负反馈电路需要保证输出与输入的相位差保持180°非常重要。在搭建一些稍微复杂的反馈电路中也会用到这个知识点的(我今天就用刚好用到了)。

1中的RTD模拟前端电路更多的信息参见ADI KWIK-ebook_cn文档,关于电路的工作原理,文中写得非常详细。但是作者遗漏了一点,就是图4恒流源电路的稳定性补偿问题,如果我们不用2N7002就很可能面临震荡问题,用输出引脚补偿方法能够解决。


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