关于运算放大器电流流向的问题

• 前言

  一、问题的引入

  二、提出问题

  三、问题解答

  写在结尾的话：

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前言

问题缘起于一次硬件同事之间的讨论。虽然目前我不是做硬件的，但签于我的专业以及之前从事的工作，觉得有必要把记录下来。后期也打算写一些站在学习者的角度，关于硬件知识的学习心得和体会。

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一、问题的引入

仪表放大电路，如下图所示，在U1A端加一个1V的电压，在U1B端加一个1.5V的电压，即输入的压差为0.5V，在U1C的正输入端的基准处先接地，运行后，U1B端的电流从输出端流出，分两路走：一路流向U1C，另一路流向U1A。

 当把U1C的正输入端的基准接5V电源时，重新运行后，U1B端的电流从外部流入输出端，此处的电流流向是从5V基准电源流出，分两路：一路流向U1A，另一路流向U1B的输出端。

二、提出问题

        1. 在改变U1C正输入端的基准电压大小时，U1B的输出端的电流流向是改变的，那么，运放是通过什么调节机制来改变电流方向的？

        2. 电路中，U1B的两个输入端和输出端的电压大小始终没有改变，而且流向R6和R5的电流大小和方向也没有改变，那么，运放是如何调节器输出端的电流大小和方向的？

        3. 调节的原理和过程是什么？

三、问题解答

        按一般理解，我们认为当前的仪表放大器两输入端共模输入信号为1.25V，两输入端差模输入为0.5V。由于是零频率直流输入信号，整个仪表运放可以说处于一种大信号静态偏置状态。当一个外部基准V3从0V阶跃变化到5V，这个加载到我们电路的电压源究竟会产生何种影响呢？从仿真数据看起来，V3从0变到5V，仅仅改变前面两个运放的输出电流大小与方向，两个运放的输入端电压与电流和两个运放的输出电压均纹丝不变。这不禁让人感到奇怪：一个处于运放输出端的干扰可以在不影响运放反馈回路和运放输入状态而达到改变运放输出电流的效果，换句话说，如果运放输出是单向的，它现在似乎变成“可以输入”了，变成了一个双向端口。

        直觉上，上面的结论是不符合逻辑的。问题出在哪里呢？

        我们换一种仿真手段。我们让V3从0V变到5V，观察下图给我们留下深刻印象的那几个电路不变节点：

上面仪表运放的输出节点V8、V4以及输入节点V3、V2，其他条件不变，用V3做变量扫描仿真如下：

        奇迹出现了，运放输出的扰动电压，会通过反馈路径、运放输入端、运放内部电路形成回路，从而影响扰动经过的各电路节点。由于这个变化很小，容易被某种“应该变而不变”仿真数据所蒙蔽，当我们挑选合适的仿真方法把观察尺度缩放一下，变化的趋势就无所遁形。

        有人可能会问，这么细微的变化真的会是我们寻找的真相吗？不要忘了，运放的内部增益一般在10^5以上。运放的本质其实在于对净输入进行放大，净输入的放大倍数就是运放的开环放大倍数。

        我们可以想象，运放输出的阶跃上升，会带来反馈量上升，输入减去反馈量就是净输入量，当输入不变时，净输入量应该是下降的。实际仿真也是如此。我们潜意识里期望两个运放输出的差值（V8-V4）在基准电压改变前后维持不变，经仿真确认，这个差值有轻微改变，有那么一点点上升。

        上述细微变化在运放内部是如何传递的？作简要的定性描述如下，V3的0-5V变化，会在运放输入端引发一个微小的扰动，在运放内部，这个细微的变化一级一级向后传递，最终引起运放末级电流的大小与方向改变，运放在外部的扰动下，重新安排了工作点。实际仿真表明，差分输入级和电压放大级变化较小，末级变化明显。这种改变示意如下：

        运放内部变化最明显的是100μA恒流源下边的a点电位。a点在忽略过流保护的情况下，浮动范围覆盖3个输出管的Vbe，如每个Vbe电压为0.7V，合计为2.1V左右。a点如在高电位，射极输出的PNP管截止，电流流向如上图箭头所示；a点在低电位，2个NPN上管截止，电流流向如下图所示。对a点电压变化做跟踪仿真，如下：

其实，用阶跃信号源做瞬态仿真代替对电压源扫描仿真，也是可以的。观察外部干扰发生并最终运放稳定，可以获得更加接近真实场景的数据。附，运放建模图：

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写在结尾的话：

本文感谢 杨小兵 提供的数据与分析。

关于杨小兵 本人的介绍：一个从事了近20年的硬件开发工程师(宅男)。在硬件的设计上有着丰富的设计经验和独特的见解。如果读者有硬件方向想要咨询和讨论的，可以在留言（我会帮忙联系），欢迎交流讨论。