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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

硬件那點事兒 ? 來源:硬件那點事兒 ? 作者:硬件那點事兒 ? 2024-12-30 18:19 ? 次閱讀
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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(fù)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(biāo)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(biāo)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(xué)習(xí)一下如何通過運放穩(wěn)定性分析找到導(dǎo)致電路輸出振蕩的原因所在。

ed2d58c4-c642-11ef-902f-92fbcf53809c.png

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:

ed418fb0-c642-11ef-902f-92fbcf53809c.png

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(yán)重的振蕩問題,輸入波形如下:

ed2d58c4-c642-11ef-902f-92fbcf53809c.png

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(dāng)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:

ed61e594-c642-11ef-902f-92fbcf53809c.png


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:

ed6d193c-c642-11ef-902f-92fbcf53809c.png

仿真得到Avo*β:

ed81e52e-c642-11ef-902f-92fbcf53809c.png

ed9c5c4c-c642-11ef-902f-92fbcf53809c.png

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(dāng)?shù)牧泓c抵消不利極點。

2.減少容性負(fù)載

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

有問題歡迎在評論區(qū)留言交流哦!

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