運放電路輸出波形發(fā)生振蕩怎么辦？不要慌，教你一步步分析問題所在

Part 01

前言

關(guān)于運放電路的設(shè)計，其中很重要也很容易被忽略的一個設(shè)計要考慮的重點就是運放電路的穩(wěn)定性分析，運算放大器的穩(wěn)定性是電路設(shè)計中的一個重要問題。如果運放工作不穩(wěn)定，可能會引發(fā)振蕩、失真，甚至使整個系統(tǒng)無法正常工作。那么什么是運算放大器的穩(wěn)定性分析呢？

穩(wěn)定性是指運放對輸入信號的響應(yīng)能否在一定時間內(nèi)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。如果運放輸出在反饋回路中出現(xiàn)持續(xù)振蕩，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。有兩個指標要考慮，一個是增益裕度（也就是Gain Margin）：增益裕度表征了系統(tǒng)在相位裕度為0°時的增益水平，增益裕度越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定。另一個指標是相位裕度（也就是Phase Margin）：相位裕度表征了系統(tǒng)在增益為0 dB時的相位超前量，通常相位裕度需要大于45°以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

接下來我們就以運放輸出存在振蕩的實際例子來教大家學習一下如何通過運放穩(wěn)定性分析找到導致電路輸出振蕩的原因所在。

Part 02

分析實例-原理圖以及輸出波形

我們要分析的電路是一個同相放大電路，放大電路的增益是10，輸入信號是幅值為10mV，頻率為50KHz的方波，電路原理圖如下：

運放電路輸出端波形理論上來說應(yīng)該是幅值為100mV，頻率為50KHz的方波，但是通過仿真發(fā)現(xiàn)電路輸出端波形存在嚴重的振蕩問題，輸入波形如下：

Part 03

問題分析方法

閉環(huán)增益和開環(huán)增益的計算方式如下：

Acl=Aol/(1+Aol*β)

Acl：運放電路閉環(huán)增益

Aol：運放開環(huán)增益

β：閉環(huán)電路反饋因子

當分母1+Aol*β=0時，運放電路閉環(huán)增益Acl就會等于無窮大，這樣運放電路就會處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此時Aol*β=-1，所以分析運放穩(wěn)定性就是在分析在運放的帶寬范圍內(nèi)，會不會出現(xiàn)Aol*β=-1的問題。

20logAol*β=20logAol-20log(1/β)

這樣分析運放穩(wěn)定性問題就簡化成了分析Aol和1/β關(guān)系的問題了，這樣我們就可以通過仿真來分別分析Aol和1/β的幅頻特性曲線和相頻特性曲線來得到Aol*β的幅頻特性曲線和相頻特性，來評估在帶寬范圍內(nèi)會不會出現(xiàn)Aol*β=-1的問題。

由于SPICE仿真軟件開環(huán)仿真分析會有問題，為了解決此問題，通過用很大的電感值可確保環(huán)路在直流上閉合，通過很大的電容值可確保交流小信號源與直流隔開。再引入激勵信號AC1，這樣我們可以通過下面的電路來實現(xiàn)Aol和1/β以及Aol*β的分析：

開環(huán)增益：Avo=VOUT/VFB
反饋因子：1/β=VIN/VFB
Avo*β=VOUT/VIN
仿真得到Avo以及1/β：

仿真得到Avo*β：

通過仿真發(fā)現(xiàn)Avo*β為0dB時，相位裕度僅為10.8°，不滿足相位裕度最低45°的要求，所以輸出就會有振蕩的問題。

Part 04

如何解決輸出振蕩問題

1.頻率補償

通過在反饋路徑中添加補償電容降低高頻增益，從而增加相位裕度。

內(nèi)部補償： 部分運放自帶補償電容，設(shè)計中無需額外添加。

外部補償： 在反饋網(wǎng)絡(luò)中添加補償元件（如米勒電容）。

零點補償： 在反饋回路中引入適當?shù)牧泓c抵消不利極點。

2.減少容性負載

為容性負載設(shè)計阻容隔離網(wǎng)絡(luò)（如在輸出端串聯(lián)小電阻）。

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