運(yùn)放是一種非常常見(jiàn)的電子元件，它用于將一個(gè)或多個(gè)輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)輸出信號(hào)。此外，運(yùn)放的電壓追隨電路也是許多電子設(shè)備的核心部分，今天我們就來(lái)詳細(xì)解析一下運(yùn)放的電壓追隨電路。
電壓跟隨器(也稱(chēng)為單位增益放大器、緩沖放大器和隔離放大器)是一種電壓增益為 1 的運(yùn)算放大器電路。這意味著運(yùn)算放大器不會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行任何放大。 之所以稱(chēng)為電壓跟隨器，是因?yàn)檩敵鲭妷褐苯痈S輸入電壓，即輸出電壓與輸入電壓相同。因此，例如，如果 10V 作為輸入進(jìn)入運(yùn)算放大器，則 10V 作為輸出輸出。電壓跟隨器充當(dāng)緩沖器，不對(duì)信號(hào)提供放大或衰減。
在電路設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常能看到由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器(OP系列、TL064、LM324…….)
很多小伙伴在分析或者設(shè)計(jì)這種電路時(shí)會(huì)有點(diǎn)懵，搞不清楚它的原理和注意事項(xiàng)，現(xiàn)在就和我來(lái)一步一步分析，通過(guò)8個(gè)問(wèn)題一層層揭開(kāi)它的神秘面紗……
一.什么叫電壓跟隨器
電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說(shuō)，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。
二.電壓跟隨器特點(diǎn)
電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來(lái)說(shuō)，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。
三.電壓跟隨器的作用
概括地講，電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。
1. 電壓隔離器輸出電壓近似輸入電壓幅度，并對(duì)前級(jí)電路呈高阻狀態(tài)，對(duì)后級(jí)電路呈低阻狀態(tài)，因而對(duì)前后級(jí)電路起到“隔離”作用。
2. 電壓跟隨器常用作中間級(jí)，以“隔離”前后級(jí)之間的影響，此時(shí)稱(chēng)之為緩沖級(jí)?；驹磉€是利用它的輸入阻抗高和輸出阻抗低之特點(diǎn)。
3. 電壓跟隨器的輸入阻抗高、輸出阻抗低特點(diǎn)，可以極端一點(diǎn)去理解，當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對(duì)前級(jí)電路開(kāi)路;當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對(duì)后級(jí)電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級(jí)電路阻抗影響。一個(gè)對(duì)前級(jí)電路相當(dāng)于開(kāi)路，輸出電壓又不受后級(jí)阻抗影響的電路當(dāng)然具備隔離作用，即使前、后級(jí)電路之間互不影響。
4.為了阻抗匹配、提高帶載能力。由于電壓跟隨器具有輸入阻抗高，而輸出阻抗低的特點(diǎn)，使得它在電路中可以完成阻抗匹配的功能，從而使下一級(jí)放大電路工作在更好的狀態(tài)下。
LM324構(gòu)建一個(gè)電壓跟隨器，正負(fù)電源供電，輸出信號(hào)成線性下降，最后保持直流輸出或者是電壓跟隨器輸入輸出電壓不跟隨，這是怎么回事呢?是因?yàn)樵谕喽思觽€(gè)電阻到地。
四.那么為什么會(huì)這樣呢?
是因?yàn)殡妷焊S器輸入端輸入阻抗很高，同相輸入端懸空的時(shí)候，它上面的電壓是不確定的，所以輸出也是不確定的。故而不要讓同相輸入端懸空，在同相輸入端和地之間接一個(gè)電阻，這樣當(dāng)沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，電阻可以讓同相輸入端保持0電位。電阻的大小，遠(yuǎn)小于同相輸入端的輸入阻抗，遠(yuǎn)大于信號(hào)源的輸出阻抗(一般大于10兆歐)。當(dāng)然也不能排除后級(jí)電路的影響哦。必要時(shí)要看一下阻抗匹配是否有問(wèn)題;阻抗匹配(簡(jiǎn)單地說(shuō)，阻抗就是電阻加電抗，所以才叫阻抗;理論說(shuō)，阻抗就是電阻、電容抗及電感扛在向量上的和)是信號(hào)傳輸過(guò)程中負(fù)載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負(fù)載阻抗之間所應(yīng)滿(mǎn)足的某種關(guān)系，以免接上負(fù)載后對(duì)器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對(duì)電子器件互連來(lái)說(shuō)。
例如：信號(hào)源連放大器，前級(jí)連后級(jí)，只要后一級(jí)的輸入阻抗大于前一級(jí)的輸出阻抗5-10倍以上，就可認(rèn)為阻抗匹配良好;又比如：電吉他的信號(hào)輸出屬于高阻，接入錄音設(shè)備或者音箱時(shí)，在音色處理電路之前加入電壓跟隨器，會(huì)使得阻抗匹配，音色更加完美。
電壓跟隨電路，輸入電壓范圍是0~10v，經(jīng)R1、R2分壓后進(jìn)入電壓跟隨器。但是輸出端最低電壓是0.35v左右;即便同相端直接接地，電壓跟隨器的輸出也是0.35v，不能到0v，那么這是什么原因呢?
原來(lái)對(duì)于運(yùn)放來(lái)說(shuō)，如果想要輸出跟隨接近從0到Vcc，你必須要選rail to rail input/ rail to rail output (軌到軌輸入/軌到軌輸出)的運(yùn)放。當(dāng)然，更加有效的辦法是使用正負(fù)電源供電的運(yùn)放。
五.輸入電壓的紋波在正常范圍內(nèi)，但是經(jīng)過(guò)電壓跟隨后，輸出電壓噪聲很大，這是怎么回事?
舉個(gè)例子如圖所示，R25的作用是消反射的，運(yùn)放的5、6角理論上是電壓相同的，且輸入阻抗是無(wú)窮大!那么輸入信號(hào)的電流主要是通過(guò)R28流入地，也就是輸入點(diǎn)的電壓在WK-in點(diǎn)形成，理論上不會(huì)有電流流入R25，如果沒(méi)有R25那么信號(hào)就會(huì)100%反射到WK-in上，如果信號(hào)源的內(nèi)阻非常的大，也就是帶載的能力很差，反射的信號(hào)就會(huì)在R28的輸入點(diǎn)附近形成很強(qiáng)的發(fā)射震蕩也就是“回音”這樣的噪聲經(jīng)過(guò)放大就會(huì)使輸出信號(hào)質(zhì)量很差，R25和C12的接入可以把在5pin的反射信號(hào)有效地吸收，高頻的反射信號(hào)通過(guò)C12泄放到地(AGND)R25把反射的信號(hào)阻隔在5pin的輸入端。
六.采樣來(lái)的信號(hào)能不能不接電壓跟隨器直接連到比例放大電路的運(yùn)放再通到單片機(jī)?
看你輸入信號(hào)的信號(hào)源性質(zhì)，同時(shí)要看你放大電路的輸入電阻。如果信號(hào)源輸出電阻很小，而放大電路的輸入電阻很大，那沒(méi)問(wèn)題。不過(guò)實(shí)際上，有時(shí)候采樣器件出來(lái)的信號(hào)，輸出電阻有時(shí)候會(huì)很大，而放大電路問(wèn)題更多，比如反相比例放大電路，有時(shí)候輸入電阻就很小。此時(shí)電壓跟隨器就很有必要了。否則信號(hào)會(huì)大量損失在輸入端口，只有很少量信號(hào)能進(jìn)入放大器，被有效放大，也就是常說(shuō)的阻抗不匹配。如果你經(jīng)驗(yàn)不太豐富，加跟隨器比較保險(xiǎn)和穩(wěn)妥的做法。
七.電流信號(hào)采集運(yùn)放放大 濾波 跟隨到單片機(jī)的AD 我這個(gè)電壓跟隨器有必要加嗎?
加一極跟隨器除了可以增加輸出負(fù)載能力，使輸出穩(wěn)定之外，還可以進(jìn)一步隔離信號(hào)采集端和AD測(cè)量端，可以說(shuō)是一個(gè)雙向保護(hù)。一方面使得輸入到AD芯片的信號(hào)更穩(wěn)定，另一方面減少AD芯片高頻率采樣對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生的干擾(AD采樣的時(shí)候從I/O口對(duì)外的干擾)。
八.什么樣的電路中用到電壓跟隨器呢?濾波電路與放大電路之間需要嗎?
1、電壓跟隨器的輸入阻抗很大，輸出阻抗很小，在電路中其阻抗變換的作用。簡(jiǎn)單理解就是增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。
2、濾波電路如果是有源濾波器，輸出阻抗很小(運(yùn)放輸出阻抗小)，與放大電路之間不需要加跟隨器。
3、如果是無(wú)源濾波器，輸出阻抗較大，如果后面放大器是同相放大器，其輸入阻抗很大，也無(wú)需跟隨器。
4、如果是無(wú)源濾波器，輸出阻抗較大，如果后面放大器是反相放大器，其輸入阻抗較小，需要加跟隨器，否則，會(huì)影響放大器的精度。
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