如何提升运算放大器的输出电流驱动能力

有些应用可以只用一个理想的运算放大器来实现，但由于某些物理限制而不能只用一个现实生活中的设备在实践中实现。幸运的是，通常可以获得第二个放大器的帮助，这样两个放大器的组合（恰当地称为复合放大器）可以完成主放大器单独无法完成的工作。

复合放大器的稳定性考虑

次级运算放大器通常放置在初级运算放大器的反馈回路内，如图 1(a) 所示。次级器件引入的相位滞后往往会侵蚀复合放大器的 相位裕度? m ，因此我们可能不得不采取合适的频率补偿措施。

图 1.  (a) 复合电压放大器的框图。(b) 计算复合放大器的开环增益 a c和噪声增益 1/β 的电路。

为了评估复合放大器的稳定性，我们将使用关闭率 (ROC) 技术。这种技术要求我们绘制

1. 复合放大器的总开环增益a c (= a 1 × A 2 )，以及
2. 它的噪声增益1/β，其中 β 是复合放大器的 反馈因子。

然后我们参考图 2 来确定手头的情况并相应地估计? m。 

图 2.  (a) 经常遇到相位裕度情况，其中 (b) 与频率无关和 (b) 与频率相关的噪声增益 1/β(jf)。

为了找到c和 1/β，我们断开图 1(b) 中的电路，其中次级放大器的输出阻抗可能远小于反馈网络呈现的阻抗。接下来，我们施加一个测试电压V t ，我们让 

ac=Vo?Vfac=Vo?Vf

公式 1

和 

$$\frac{1}{\beta }=\frac{V_t}{V_f}$$

公式 2

提升运算放大器的输出电流驱动能力

大多数运算放大器旨在提供不超过几十毫安的输出电流。例如，久负盛名的 741 运算放大器多可处理 25 mA 的输出电流。试图超过此值会激活一些内部看门狗电路，以防止实际电流进一步增加。 

在这种情况下，运算放大器将不再正常工作，但至少可以避免因功耗过大而可能造成的损坏。 

提高运算放大器输出电流驱动能力的一种流行方法是使用电压缓冲器，如图 3(a) 所示。 

图 3.  (a) 使用缓冲器提升运算放大器的输出电流驱动。(b) 详细的缓冲区示意图。

Q 1的功能是向负载 R L提供（或推动）电流，而 Q 2的功能是从 R L吸收（或拉出）电流；这就是为什么说 Q 1 -Q 2对形成推挽输出级的原因。晶体管 Q 3和 Q 4具有双重用途：

• 它们提供达林顿型功能来提高从输入到输出节点的电流增益。
• 它们的基极-发射极电压降旨在保持 Q 1和 Q 2即使在没有任何输出负载的情况下也已经导通，这就是为什么 Q 1和 Q 2也被称为形成AB 类输出级的原因。AB 类操作可防止B 类操作固有的失真。

如需更详细的分析，请参阅图 3(b) 的完整示意图，其中我们注意到以下内容：

• Q 5 -Q 6和 Q 7 -Q 8对形成两个电流镜， 共享相同的偏置电流I BIAS，其中 

$$I_{BIAS}=\frac{(V_{CC}?V_{EBp})?(V_{EE}+V_{EBn})}{R_{BIAS}}$$

公式 3

• Q 6和Q 8镜像I BIAS并分别用它来偏置Q 3和Q 4。结果，Q 3和 Q 4产生基极-发射极压降 V EB3和 V BE4。 
• 响应于 V EB3和 V BE4，Q 1和 Q 2产生基极-发射极压降 V BE1和 V EB2使得 

$$V_{BE1}+V_{EB2}=V_{EB3}+V_{BE4}$$

方程式 4

• 在没有任何负载的情况下，Q 1和 Q 2必须汲取相同的电流。根据等式 4，Q 1和 Q 2汲取的公共电流必须等于 Q 3和 Q 4汲取的公共电流，即 I BIAS。因此，在没有负载的情况下，集电极电流满足条件I C1 = I C2 = I C3 = I C4 = I BIAS。 

在下一篇文章中，我们将通过在 PSpice 中模拟我们的电压缓冲器来扩展这个对话，并利用该分析来提升我们 741 运算放大器的电流输出驱动。