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标题: 再问单电源运放输出端能否倒灌电流 [打印本页]

作者: winwood2000 时间: 2012-2-9 10:37
标题: 再问单电源运放输出端能否倒灌电流
前几天发了帖子没有得到理想的答案，现重新整理再讨论一下。下边分别是典型LDO原理图和LM358内部电路图，这里我不想讨论此LDO电路能否工作，只想以LM358为例讨论一下单电源运放输出端能否倒灌电流。结合这两张图，我认为LM358在单电源供电时输出端不能倒灌电流。理由如下：
先看LM358内部电路，当LM358为0输出即Vo=0时必有Ic12=100uA(Ic12是Q12的集电极电流）此时Q12集电极吸收的电流与100uA电流源输出的电流相等，所以Vo=0。当Ic12<100uA时,有一部分电流从Vo流出（假定Vo端接有负载电阻Rl)，此时Vo>0。在单电源供电的情况下Vo不可能为负值，所以Ic12不可能大于100uA。
再看LDO电路，此电路工作时必有LM358输出端电压Vo=Vin-0.7，回到LM358内部电路看，必有Q5、Q6截止，Q13似乎能导通，但结合前面的分析可知，Ic12不可能大于100uA，也就是Q12不可能经Q13从Vo端吸收电流，所以Q13必然截止。即LM358在单电源供电时不可能从Vo端倒灌电流。

典型LDO原理图 (原文件名:ourdev_716396I4AC1J.png)

LM358内部电路图 (原文件名:QQ截图未命名.png)

作者: sadf1234 时间: 2012-2-9 12:16
你实际试过吗?

作者: yuyu87 时间: 2012-2-9 12:25
顶一下~ 高手解答

作者: huayuliang 时间: 2012-2-9 12:30
运放工作在单电源时，输出不可能为0V，否则运放已经不处于线性状态了。也就是说假定输出为0这个条件是不可取的。

作者: gzhuli 时间: 2012-2-9 12:30
1. 100uA只是驱动Q5 Q6用的，所以LM358的Vo最大值等于V+ - 1.5V，刚好是Q5 Q6两个BE结压降。
2. Ic12当然不止100uA了，下拉的电流路径为Vo -> Q13 EB -> Q12 CE -> V-，这里压降<1V，也就是说Vo在1V以上时可以有“强下拉”。
3. Vo还有另一个50uA的电流源到V-，所以Vo<1V时是“弱下拉”，电流不大于50uA，最低输出电压可到5mV。

这些数据datasheet都有的，自己仔细看看吧。

作者: yuyu87 时间: 2012-2-9 12:34
坐下学习

作者: reflecter 时间: 2012-2-9 12:41
学习了

作者: winwood2000 时间: 2012-2-9 13:25
回复【4楼】gzhuli 咕唧霖
2. Ic12当然不止100uA了，下拉的电流路径为Vo -> Q13 EB -> Q12 CE -> V-，这里压降<1V，也就是说Vo在1V以上时可以有“强下拉”。
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要使Q12工作在放大状态，Uce12>=Ube12=0.7，否则Q12就饱和了。
所以如果按你上面所说，“下拉的电流路径为Vo -> Q13 EB -> Q12 CE -> V-”，应该是“这里压降<1.4V，也就是说Vo在1.4V以上时可以有“强下拉””吧？

还有，如果Vo在1V（或1.4V）以上时可以有“强下拉”，那Q8，Q9岂不是都截止了。

另外你说“这些数据datasheet都有的”，我确实没找到这些数据的详细分析，只找到如下两组数据：

这些问题我确实有点糊涂，能看出你是高手，帮点拔下。

(原文件名:QQ截图未命名.png)

LM358 datasheetourdev_717057NHCWZF.pdf(文件大小:156K) (原文件名:LM358.pdf)

作者: gzhuli 时间: 2012-2-9 14:00
Q12饱和也没关系的，动态失真大而已，不影响直流特性。

你传上来的是fairchild的datasheet，顶楼的电路是NS datasheet的，在Isink数据上有出入，但还是有的，你刚好看的是少了一段的表：

电流输出能力 (原文件名:1.jpg)

电压摆幅 (原文件名:2.jpg)

Q8 Q9确实是截止的，LM358是准甲乙类输出级，Q8 Q9由50uA弱电流源偏置，实际上还没进入线性区的，Q13更加是没有偏置，所以LM358会有大信号交越失真问题，NS的手册也有提到（搜crossover distortion）。

作者: winwood2000 时间: 2012-2-9 14:21
回复【8楼】gzhuli 咕唧霖
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谢谢你的热心回答，对于你给的结论我还有一点不理解。我也想过Q12可以吸电流，但被我否了。我是这样分析的（分了简化分析，假定运放开环，且输入端的电压很小能保证运放工作在线性区）：
Q12的集电极电流Ic12的大小只受其基极电流Ib12控制，向前倒推，也就是只受输入端电压控制，而与负载电阻Rl是上拉还是下拉没有关系。
先假定负载Rl下拉（即一端接Vo另一端接地），必有Ic12<100uA，Vo才能输出正电压，这个电压的摆幅为0<Vo<Vcc-1.5。如果此时把Rl改为上拉，因输出端电压没变，故Ic12不变，所以此时电流一定灌不进去。所以我把Ic12大于100uA的可能性否了。

这个问题困扰我一个多星期了，为了弄清这个问题我把大学时的模拟电路书拿出来反复看了好几遍，还是很疑惑。能看出gzhuli是高手，再进一步指点我一下吧。

作者: gzhuli 时间: 2012-2-9 14:41
运放开环，输出下拉变上拉，电压不变？

作者: winwood2000 时间: 2012-2-9 15:38
回复【10楼】gzhuli 咕唧霖
运放开环，输出下拉变上拉，电压不变？
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Vo=A*(V+ - V-)为什么会变呢（A为开环放大倍数）？

你就别卖关子了，好好分析一下，让我好好学习学习。

还有，假定你的分析是对的，那LM358（或其它单电源运放）就是在Vo小于某个值时从外部吸电流，Vo大于某个值时向外部提供电流，这个值如何得知呢，datasheet上有说明吗？

作者: voild 时间: 2012-2-9 15:52
第一次听说运放不能吸入电流的，开眼了。

作者: winwood2000 时间: 2012-2-9 15:58
回复【11楼】winwood2000
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负载Rl下拉改上拉，Vo应该会变，但运放内部的电流关系因为只受V+和V-控制，应该不变吧。

作者: huayuliang 时间: 2012-2-9 16:04
回复【11楼】winwood2000
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“那LM358（或其它单电源运放）就是在Vo小于某个值时从外部吸电流，Vo大于某个值时向外部提供电流”，这个值就是中点 1/2Vcc
这是必然的，否则也不会设计成推挽输出。

话说你折腾一星期，都不如用仿真软件看一下。。。当然，愿意折腾除外。

(原文件名:1.png)

作者: zb6688 时间: 2012-2-9 16:12
回复【12楼】voild
第一次听说运放不能吸入电流的，开眼了。
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X2

我也开眼了，运放不能吸入电流的话如何输出交流信号呢？楼主是否认为输出端一定要0V一下才能吸入电流呢？

作者: winwood2000 时间: 2012-2-9 16:13
回复【14楼】huayuliang 花生
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呵呵，我不是电子专业科班出身的，最近想做个东西突然想到这个问题。
问下花生用的什么仿真软件。

作者: gzhuli 时间: 2012-2-9 16:21
假设运放开环，输出空载，输入正好偏置在Vo=1/2VCC位置，这时Q6的Ie=50uA对吧。如果输出负载改变，Q6的Ie就变了，虽然Ib=1/β Ie，一般分析时都忽略掉，但开环分析就不能忽略了，因为Ao很大，一点点变化都会有显著影响。Vo的负载变化经Q6->Q5影响到Q12的Ic，输出电压就变了。
开环状态下输出电压随负载变化，叫做开环输出阻抗Ro，LM358没标明这个参数，一般按100-200欧算。

作者: winwood2000 时间: 2012-2-9 16:40
虽然我还没有完全弄懂，但还是非常感谢“花生”和“咕唧霖”二位，你们让我知道了一些原来不知道的东西，比“voild”这种说风凉话的强多了。

我现在看的是童诗白，华成英主编的“模拟电子技术基础”第三版，感觉有些地方讲得不够透彻，两位有什么好书推荐吗？

作者: gzhuli 时间: 2012-2-9 16:41
如果输出上拉，且电压刚好让Q6截止了，但Q13还没导通，这时输出等效阻抗会瞬间变得很大，这就是交越失真区了。
电压过了这一段接近2V的区域继续上升，Q13开始导通“强下拉”，输出阻抗又回到Ro，理论上这个Ro比Q6导通的Ro要大，因为Q5 Q6组成的达林顿放大倍数远高于Q13。
总结来讲，LM358和LM324并不是全能运放，设计上有很多妥协或者说结构性不足，所以只适合单端输出场合，不适合推挽驱动。相比之下，教科书式结构的uA741各方面性能更加均衡，更适合用来学习运放工作原理。

uA741内部等效电路 (原文件名:1.jpg)

截图自Fairchild手册的uA741电路图 (原文件名:2.jpg)

作者: winwood2000 时间: 2012-2-9 17:04
回复【14楼】huayuliang 花生
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“那LM358（或其它单电源运放）就是在Vo小于某个值时从外部吸电流，Vo大于某个值时向外部提供电流”，这个值就是中点 1/2Vcc

假定负载Rl下拉，Q5、Q6导通也可以得到Vo<1/2Vcc,这个怎么理解呢？

作者: voild 时间: 2012-2-9 17:30

(原文件名:test.jpg)

作者: huayuliang 时间: 2012-2-9 19:09
回复 winwood2000
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俺用的是 Micro-Cap ，仿真版块里上传过软件。其他的软件也都一样，俺只是感觉它比较方便而已。
需要的话你回复下，我把这个仿真文件给你传上来。

俺之所以说是1/2VCC，是这样考虑的：从设计上讲，假定交变信号的正负半周是对称的，在器件的输出端想得到最大不削顶摆幅，输出级的中点必然是电源电压的一半，对于双电源，是0V，对于单电源，就是1/2VCC。这是设计时首先遵循的东西。
不过俺好像理解错了。这个不适用于你的主题。

voild 说的也并非风凉话，从运放内部电路结构上说，确实是没有不能吸收电流的。。
对末级输出为推挽结构的运放来说，上半臂就是为了输出，下半臂就是为了sink。这是通用运放设计的目的。
从应用上考虑，运放处于线性放大状态，+、-输入端必须近似相等，你想一下输出端对地的电压，然后再考虑电流方向。
俺的意思就是说，既然运放是按这些目的设计的，似乎没必要从内部电路考虑这个。对俺来说，俺又不是设计运放IC的。（说到这里，想起当初买不到TL431自己照内部电路搭的时候，失败了4次）。

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额外的。
刚又弄了下电路的交流分析，如果没有那个补偿电容，会在1MHz位置出现30db的峰值（单位增益电路）。按图接入18pF电容，在曲线平坦时，单位闭环增益带宽 500kHz多点。

作者: winwood2000 时间: 2012-2-9 20:41
回复【22楼】huayuliang 花生
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1.谢谢你的回答。
2.我的意思是说像voild那样回复没有什么意义，来到这个论坛都是为了互相取长补短、相互学习的，只说一个行或不行达不到这个效果。
3.我也不是想特意想研究运放。我前面说了我不是电子专业科班出身的，但是对电子兴趣浓厚。最近想通过那个LDO电路加深一下对模拟电路的理解，研究LDO也不是为了做LDO，是为了把根据LDO电路稍加改动把基准电压源换成数控的做成锂电池充电模块。因为经验有限，周围这方面资深的人不多。大家都知道影响模拟电路能否正常工作的因素很多，有很多意想不到的因素可能导致电路不能正常工作。所以在实际把电路做出来之前先仔细分析一下到底哪些因素会影响这个电路能否正常工作，免得到时候不能用查不出原因。
4.麻烦你把你的仿真文件传上来吧，我学习一下。

作者: winwood2000 时间: 2012-2-9 22:02
再问下顶楼的那个LDO电路用LM358是不是不行，或者说得改下？

作者: huayuliang 时间: 2012-2-9 23:26
回复【24楼】winwood2000
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顶楼那个，只是原理上的示意图，直接按LM358的接法不行的。你搭电路仿真下试试啊。

这是14楼的仿真文件。

点击此处下载 ourdev_717256R61KFS.zip(文件大小:6K) (原文件名:SIM_OPAMP_358.zip)

作者: huayuliang 时间: 2012-2-9 23:30
干脆把俺以前看过的LDO资料打包传上来吧，希望有用。

点击此处下载 ourdev_717258BCE184.zip(文件大小:13.15M) (原文件名:Des_Sim_LDO.zip)

作者: winwood2000 时间: 2012-2-10 11:16
谢谢花生了，你用的Micro-Cap是哪个版本的，我在网上找了下好像只能找到7点几的版本的，很老了。

作者: r166 时间: 2012-2-10 11:42
MK

作者: fiddly 时间: 2012-7-3 10:20
学习了，MK

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