缓冲、运放、跟随电路详解及区分

前言

本系统的设计中，需要外部ADC的模拟信号（其实也就是电压信号）接入，输入电压为0-4V左右。

但是我们的STM32开发板的IO，输入电压大小只能是0-3.3V，所以，第一步就是要使用限位器，把0-4V的输入电压分压到3.3V以下。

所以，电压信号通过SMD射频接口输入进来，先经过KW1 10K的限位器分压

在输入级，还引入了一个前级缓冲电路，或者叫这个东西 运算放大器，下面先来介绍一下常见的运算放大器电路，以及其工作原理。

相信很多人看到 缓冲、运放、跟随、放大，这些概念一起出现的时候整个人有点不知道从哪里下手，所以，在这里，把能设计的到的都进行一下介绍。

首先就是放大器

运算放大器电路分析方法

由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V～14 V。

因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。

“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。

由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故 通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。

“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性 称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。

概念:

虚短：理解成短路，运放处于线性状态时，把两输入端视为等电位，即运放正输入端和负输入端的电压相等；

虚断：理解成断路，运放处于线性状态时，把两输入端视为开路，即流入正负输入端的电流为零；

总结一句话：虚短用来得到电压相等；虚断用来得到电流为0。

在分析运放电路工作原理时，首先请各位暂时忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、减法器，什么差动输入……暂时忘掉那些输入输出关系的公式……这些 东东只会干扰你，让你更糊涂﹔也请各位暂时不要理会输入偏置电流、共模抑制比、失调电压等电路参数，这是设计者要考虑的事情。我们理解的就是理想放大器 （其实在维修中和大多数设计过程中，把实际放大器当做理想放大器来分析也不会有问题）。

运算放大器工作原理

经典电路图一——反向放大器

图中运算放大器的同向端接地GND=0V，反向端和同向端虚短，所以也是0V，反向输入端输入电阻很高，虚断，几乎没有电流注入和流出，那么R1和R2相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的，即流过R1的电流和流过R2的电流是相同的。

流过R1的电流I1 = (Vi - V-)/R1 ……a

流过R2的电流I2 = (V- - Vout)/R2 ……b

V- = V+ = 0 ……c

I1 = I2 ……d

求解上面的初中代数方程得Vout = (-R2/R1)*Vi 这就是传说中的反向放大器的输入输出关系式了。

经典电路图二——同向放大器

Vi与V-虚短，则 Vi = V- ……a

因为虚断，反向输入端没有电流输入输出，通过R1和R2 的电流相等，设此电流为I，由欧姆定律得： I = Vout/(R1+R2) ……b

Vi等于R2上的分压， 即：Vi = IR2 ……c 由abc式得Vout=Vi(R1+R2)/R2 这就是传说中的同向放大器的公式了。

经典电路图三——加法器

由虚短知： V- = V+ = 0 ……a

由虚断及基尔霍夫定律知，通过R2与R1的电流之和等于通过R3的电流，故 (V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (Vout – V-)/R3 ……b

代入a式，b式变为V1/R1 + V2/R2 = Vout/R3 如果取R1=R2=R3，则上式变为Vout=V1+V2，这就是传说中的加法器了。

经典电路图四——加法器

因为虚断，运算放大器同向端没有电流流过，则流过R1和R2的电流相等，同理流过R4和R3的电流也相等。

故 (V1 – V+)/R1 = (V+ - V2)/R2 ……a

(Vout – V-)/R3 = V-/R4 ……b

由虚短知： V+ = V- ……c

如果R1=R2，R3=R4，则由以上式子可以推导出 V+ = (V1 + V2)/2 V- = Vout/2

故 Vout = V1 + V2 也是一个加法器

经典电路图五——减法器

由虚断知，通过R1的电流等于通过R2的电流，同理通过R4的电流等于R3的电流，

故有 (V2 – V+)/R1 = V+/R2 ……a

(V1 – V-)/R4 = (V- - Vout)/R3 ……b

如果R1=R2， 则V+ = V2/2 ……c

如果R3=R4， 则V- = (Vout + V1)/2 ……d

由虚短知 V+ = V- ……e

所以 Vout=V2-V1 这就是传说中的减法器了。

经典电路图六——积分电路

电路中，由运算放大器的虚短知，反向输入端的电压与同向端相等，由虚断知，通过R1的电流与通过C1的电流相等。通过R1的电流 i=V1/R1 通过C1的电流i=CdUc/dt=-CdVout/dt 所以 Vout=((-1/(R1C1))∫V1dt 输出电压与输入电压对时间的积分成正比,这就是传说中的积分电路了。若V1为恒定电压U，则上式变换为Vout = -Ut/(R1*C1) t 是时间，则Vout输出电压是一条从0至负电源电压按时间变化的直线。

经典电路图七——微分电路

由虚断知，通过电容C1和电阻R2的电流是相等的，由虚短知，运算放大器同向端与反向端电压是相等的。则： Vout = -i * R2 = -(R2*C1)dV1/dt 这是一个微分电路。如果V1是一个突然加入的直流电压，则输出Vout对应一个方向与V1相反的脉冲。

经典电路图八——差分放大电路

由虚短知 Vx = V1 ……a

Vy = V2 ……b

由虚断知，运算放大器输入端没有电流流过，则R1、R2、R3可视为串联，通过每一个电阻的电流是相同的，电流I=(Vx-Vy)/R2 ……c

则： Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3) = (Vx-Vy)(R1+R2+R3)/R2 ……d

由虚断知，流过R6与流过R7的电流相等,若R6=R7， 则Vw = Vo2/2 ……e

同理若R4=R5，则Vout – Vu = Vu – Vo1，故Vu = (Vout+Vo1)/2 ……f

由虚短知，Vu = Vw ……g

由efg得 Vout = Vo2 – Vo1 ……h

由dh得 Vout = (Vy –Vx)(R1+R2+R3)/R2 上式中(R1+R2+R3)/R2是定值，此值确定了差值(Vy –Vx)的放大倍数。这个电路就是传说中的差分放大电路了

经典电路图九——电流转换电压再送ADC转换成数字信号

分析一个大家接触得较多的电路。很多控制器接受来自各种检测仪表的020mA或420mA电流，电路将此电流转换成电压后再送ADC转换成数字信号，下图就是这样一个典型电路。

如图420mA电流流过采样100Ω电阻R1，在R1上会产生0.42V的电压差。由虚断知，运算放大器输入端没有电流流过，则流过R3和R5的电流相等，流过R2和R4的电流相等。

故： (V2-Vy)/R3 = Vy/R5 ……a

(V1-Vx)/R2 = (Vx-Vout)/R4 ……b

由虚短知： Vx = Vy ……c

电流从0~20mA变化，则V1 = V2 + (0.4~2) ……d

由cd式代入b式得(V2 + (0.4~2)-Vy)/R2 = (Vy-Vout)/R4 ……e

如果R3=R2，R4=R5，则由e-a得Vout = -(0.4~2)R4/R2 ……f

图中R4/R2=22k/10k=2.2，则f式Vout = -(0.884.4)V，即是说，将420mA电流转换成了-0.88 ~ -4.4V电压，此电压可以送ADC去处理。

经典电路图十——电压转换成电流

电流可以转换成电压，电压也可以转换成电流。图十就是这样一个电路。上图的负反馈没有通过电阻直接反馈，而是串联了三极管Q1的发射结，大家可不要以为是一个比较器就是了。只要是放大电路，虚短虚断的规律仍然是符合的!

由虚断知，运算放大器输入端没有电流流过，

则 (Vi – V1)/R2 = (V1 – V4)/R6 ……a

同理 (V3 – V2)/R5 = V2/R4 ……b

由虚短知 V1 = V2 ……c

如果R2=R6，R4=R5，则由abc式得V3-V4=Vi

上式说明R7两端的电压和输入电压Vi相等，则通过R7的电流I=Vi/R7，如果负载RL<<100KΩ，则通过Rl和通过R7的电流基本相同。

分析

看了这么多的放大器的经典电路，但是对于我们的电路图，会发现不属于任何的一类情况，那么这个用着放大器的电路图究竟是什么呢？

这里就引出来了缓冲和跟随的概念。

缓冲电路的概念

缓冲电路（SnubberCircuit）又称吸收电路，它是电力电子器件的一种重要的保护电路，不仅用于半控型器件的保护，而且在全控型器件（如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等）的应用技术中，起着更重要的作用。

缓冲电路的基本结构

缓冲电路的功能有抑制和吸收两个方面，因此图（a）是这种电路的基本结构，串联的LS用于抑制di/dt的过量，并联的CS用于吸收器件上的过电压，即器件在关断时CS通过快速二极管DS充电，吸收器件上出现的过电压能量，由于电容电压不会跃变，限制了重加dv/dt。

当器件开通时CS上的能量经RS泄放。对于工作频率较高、容量较小的装置，为了减小损耗，图（a）中的RLCD电路，可以简化为图（b）的形式。装置由RCD网络构成的缓冲电路普遍用于GTR、GTO、功率MOSFET及IGBT等电力电子器件的保护。

下图所示的几种缓冲电路是上述基本RCD缓冲电路的简化或演变。如下图所示，它们既可用于逆变器中IGBT模块的保护，也适用于其他电力电子器件的缓冲保护，但其性能有所不同。

• 图（a）是最简单的单电容电路，适用于小容量的IGBT模块或其他容量较小的器件，但由于电路中无阻尼元件，容易产生振荡，为此CS中可串入RS加以抑制，这种RC缓冲电路在晶闸管的保护中已用得很普遍。

• 图（b）是把RCD缓冲电路用于由两只IGBT组成桥臂的模块上，此电路比较简单，但吸收功能较单独使用RCD时略差，多用于小容量元件的逆变器桥臂上。有时还可以把（a）、（b）两种缓冲电路并联使用以增强缓冲吸收的功能。

• 图（c）是RS交叉连接的缓冲电路，当器件关断时，CS经DS充电，抑制dv/dt；当器件开通时，CS经电源和RS放电，同时有部分能量反馈回电源，这种电路对大容量的器件，例如400A以上的IGBT模块比较适合。

• 图（d）是大功率GTO逆变桥臂上的非对称RLCD缓冲电路。图中限流电感LS经过DS和RS释放磁场能量。GTO关断时，CS经DS吸收能量并经RS把部分能量反馈到电网上去，因此损耗较小，适用于大容量的GTO逆变器。其中CS具有吸收电能和电压箝位双重功能，且效率较高。

• 图（e）是三角形吸收电路，其特点是：

  • （1）三只电容器之间几乎不需要连接线，所以寄生电感极小。
  • （2）在电力电子器件工作过程中每只电容器都参与工作，电容器利用率高。
  • （3）电路损耗较小。

缓冲电路引线中的杂散电感必须限制到最小，以防止电力电子器件在关断时出现电压尖峰，并消除杂散电感与缓冲电路中CS构成谐振回路所产生的振荡。所以缓冲电路中的R、C、D等元件也应力求采用无感元件。

缓冲电路的工作原理

缓冲电路的基本工作原理是利用电感电流不能突变的特性抑制器件的电流上升率，利用电容电压不能突变的特性抑制器件的电压上升率。图示以GTO为例的一种简单的缓冲电路。其中L与GTO串联，以抑制GTO导通时的电流上升率dI/dt，电容C和二极管D组成关断吸收电路，抑制当GTO关断时端电压的上升率dV/dt，其中电阻R为电容C提供了放电通路。缓冲电路有多种形式，以适用于不同的器件和不同的电路。

所以在本设计中的电路中，可以看到C19电容，抑制输入电压的上升率，也起到了一定的缓冲作用。

电压跟随器

缓冲

电压跟随器的作用之一就是缓冲，在一定程度上可以避免由于输出阻抗较高，而下一级输入阻抗较小时产生的信号损耗，起到承上启下的作用

隔离

电压跟随器的作用之二就是隔离，由于电压跟随器具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，使得它对上一级电路呈现高阻状态，而对下一级电路呈现低阻状态，常用于中间级，以隔离前后级电路，消除它们之间的相互影响。在HIFI电路中就包含电压跟随器，将其置于前级和功放之间，用于消除扬声器的反电动势对前级的干扰，使得音质更加清晰

阻抗匹配、提高带载能力

电压跟随器的作用之三就是阻抗匹配、提高带载能力。由于电压跟随器具有输入阻抗高，而输出阻抗低的特点，使得它在电路中可以完成阻抗匹配的功能，从而使下一级放大电路工作在更好的状态下。在很多电吉他效果器的电路中就包含电压跟随器，接在音色处理电路前面，使得音色更加完美，提高输入阻抗，减小输入电容，为应用高品质的电容提供保证。

运算放大器和跟随器的区别

电压跟随器为单端输入，而运放电路是差分输入；

电压跟随器的电压增益为1，而运放电路的电压增益可以在很大范围内根据需要设定。

电压跟随器就是输出电压随输入电压而变化的电路，理想的电压跟随器输出电压和输入电压是相同的。

例如用运放搭成的电压跟随器，用三极管搭成的简易电压跟随器输出电压和输入电压之间要相差一个PN结的正向导通电压。

电压跟随器的主要功能是阻抗变换，即增大输入阻抗减小输出阻抗。

运放就是一种将微弱信号放大的元件，根据电路要求可以结成不同的形式，而电压跟随器就是其中的一种 ，输出信号和输入信号是完全一样的，用于将信号隔离，增强它的带负载能力。

分析

我们继续分析我们的电路图，这时候就会发现，我们电路中的是跟随器，主要作用就是缓冲、隔离，防止输入的电压剧烈变化以及干扰出现损坏芯片。