運(yùn)算放大電路振鈴產(chǎn)生的原因及解決方法

寫在前面

想必大家都學(xué)過運(yùn)算放大電路，然而電路參數(shù)稍微處理不好便會(huì)導(dǎo)致你設(shè)計(jì)的運(yùn)算電路效果大大折扣。振鈴在運(yùn)算放大電路中是經(jīng)常出現(xiàn)的問題，因?yàn)閰?shù)的問題或者PCB板硬件本身的問題，往往導(dǎo)致你設(shè)計(jì)的放大電路不放大反而振蕩，振蕩電路不振蕩反而放大，大學(xué)的時(shí)候?qū)嶒?yàn)室老師就是這么嘲笑我們的，哈哈。

剛下班，回家也沒什么事兒，索性就加會(huì)兒班，寫個(gè)博客，分享自己在這方面的理解，同時(shí)呢也做為自己的硬件學(xué)習(xí)筆記吧，我今天分享得就是運(yùn)放電路振鈴產(chǎn)生的原因，以及解決辦法。下面我們開始吧。

振鈴產(chǎn)生的原因

振鈴是怎么產(chǎn)生的，知道了這點(diǎn)我們就知道采取什么措施來避免運(yùn)放電路的振鈴的產(chǎn)生。我們先來看一個(gè)運(yùn)算放大電路的例子，如下圖所示：為一個(gè)同相比例放大電路，信號(hào)源頻率為10K,幅值1V的方波。運(yùn)放采用雙電源供電。

上圖所示的參數(shù)下，其輸出波形如下圖所示，輸出波形還算理想，幅值為2V,符合設(shè)計(jì)所想。但是你要明白仿真軟件的仿真結(jié)論實(shí)在器件理想化的情況下建立的，所以此處的運(yùn)放也是理想運(yùn)放，不存在寄生電感電容電阻等，所以仿真結(jié)果趨于理想化。當(dāng)器件焊接到PCB板上以后，PCB板的各種寄生參數(shù)都會(huì)影響運(yùn)放的外圍參數(shù)，同時(shí)現(xiàn)實(shí)中使用的運(yùn)放也不是理想化的，這連兩個(gè)因素使運(yùn)放往往不以我們所期待的方式運(yùn)行。我們今天要講的運(yùn)放電路的振鈴，就是從PCB板的寄生參數(shù)出發(fā)去分析它產(chǎn)生的原因。

運(yùn)放振鈴產(chǎn)的原因就是由于反向輸入端的寄生電容與反饋電阻構(gòu)成了一個(gè)低通濾波器，大家知道低通濾波器會(huì)導(dǎo)致相位滯后。而運(yùn)算放大器呢，又是一個(gè)無腦的東西，它不知道人們把它接成了什么樣子，它只知道吧同相端與反相端的電壓差值放大無窮大倍，然而放大倍數(shù)又不可能無窮大，這就得益于輸出端的反饋回路。當(dāng)輸出電壓過大時(shí)，反饋到反相端的電壓也會(huì)變大，進(jìn)而輸出端電壓減小，當(dāng)輸出端電壓過小時(shí)，反饋到反相端的電壓就變小，進(jìn)而使輸出端的電壓增大，這樣的一個(gè)過程如此往復(fù)形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，保持輸出端電壓穩(wěn)定。

但是當(dāng)反饋回路出現(xiàn)了延遲，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢?那就是輸出端的電壓已經(jīng)到達(dá)預(yù)定電壓值了，可是由于反饋回路上的延遲，運(yùn)放認(rèn)為輸出端的電壓還沒增加到達(dá)預(yù)定電壓，還在繼續(xù)增大輸出電壓，當(dāng)運(yùn)放反應(yīng)過來之后又發(fā)現(xiàn)輸出電壓過大，又開始減小輸出電壓，當(dāng)輸出端的電壓已經(jīng)減小到達(dá)預(yù)定電壓值了，同樣由于延遲的存在，運(yùn)放認(rèn)為輸出端的電壓還沒減小到預(yù)定電壓，當(dāng)運(yùn)放反應(yīng)過來時(shí)輸出電壓又低于預(yù)定電壓了，然后又開始增大輸出電壓。循環(huán)往復(fù)，這就產(chǎn)生了振鈴。這一節(jié)我們講了振鈴產(chǎn)生的原因，下一節(jié)我們就來看看振鈴到底是什么樣的。

見識(shí)振鈴

上面我們說了振鈴產(chǎn)生的原因，下面我們就人為制造一個(gè)振鈴產(chǎn)生的條件：在反向輸入端并一個(gè)電容到地，讓其與反饋電阻構(gòu)成一個(gè)低通濾波器的延遲環(huán)節(jié)。如下圖所示：紅色圈住的部分為人為加入的反相端寄生電容10nF,其他參數(shù)不變。

參數(shù)設(shè)置完畢，我們來看下輸出波形，如下圖所示：

看不清楚?我們?cè)趤韨€(gè)特寫：振鈴就是這樣的，跟我們剛才分析的一樣。

產(chǎn)生振鈴的其他原因

上面我們說到了產(chǎn)生振鈴的原因是反相輸入端的寄生電容，除了這個(gè)原因還有其他什么原因會(huì)導(dǎo)致振鈴的產(chǎn)生呢?有的，

1、當(dāng)你在使用示波器測量波形的時(shí)候，由于示波器探頭也存在寄生電容，這個(gè)電容與運(yùn)放的輸出電阻也構(gòu)成了低通濾波的延遲環(huán)節(jié)，同樣的也會(huì)造成振鈴現(xiàn)象，我們來看圖：

來看看這種情況下的輸出波形，不出意外的，也出現(xiàn)了振鈴：

怎么解決示波器探頭的寄生電容的問題呢，總不能不用吧，當(dāng)然不是，有錢的話可以買些有源探頭呀，只不過有點(diǎn)貴。不買也行，就教你一個(gè)方法，在是示波器探頭上串一個(gè)電阻，破壞掉低通濾波器的形成環(huán)境，因?yàn)槭鞘静ㄆ鞯奶筋^阻抗很大，串一個(gè)電阻進(jìn)去，對(duì)測量結(jié)果基本沒影響，好了不多說，上圖：

再來看看輸出波形，振鈴現(xiàn)象是不是明顯改善了呀，想要盡量改善振鈴甚至避免振鈴現(xiàn)象就要合理的設(shè)置參數(shù)，這里就不一點(diǎn)一點(diǎn)修改參數(shù)了，只指明一個(gè)方向，具體電路具體分析。

2、運(yùn)放本身的容性負(fù)載，也會(huì)導(dǎo)致振鈴的產(chǎn)生，其具體解決方法同1，這里就不做過多的分析解釋。

PCB板上運(yùn)放的反相輸入端不要覆銅

為什么呢? 就是我們前面說的，反相輸入端如果覆銅的話會(huì)導(dǎo)致反相輸入端存在寄生電容，這也是振鈴產(chǎn)生的重要原因。而同相輸入端則可以覆銅，因?yàn)橥喽思词勾嬖谘舆t也不會(huì)導(dǎo)致振鈴產(chǎn)生。