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  • 運放,負反饋放大電路自激振蕩與消除介紹
    • 發布時間:2022-08-20 14:59:20
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    運放,負反饋放大電路自激振蕩與消除介紹
    自激振蕩產生的原理
    先回顧一下負反饋放大電路的基本原理框圖:
    放大電路 自激振蕩
    如圖中,負反饋放大電路在引入了反饋量之后,放 大電路的凈輸入Xid將減小,所以Xi和Xf是同相位的,也就是通過基本放大電路A和反饋網絡F的 處理之后,信號變化了整數個周期,有相移角φa+φf=2n*180°。
    上面的分析,是基于信號處于中頻區域,電路中的 電抗性元器件影響不明顯;當信號處于高頻或低頻區時,電路中的電抗性元器件的影響增大, 基本放大電路的增益A和反饋網絡的反饋系數F的相位都會隨頻率產生變化,會使得Xf與Xi不再 同相位,產生附加相位。
    當在某一頻率下,A和F的附加相位達到180°時,就 會使得φa+φf = (2n+1)*180°,即Xf與Xi變成了反相,放大電路由負反饋變成了正反饋!
    進一步地,當正反饋較強時,以至于達到-Xf=Xid時 ,則此時電路沒有輸入,也能產生輸出信號,即發生了自激振蕩。
    以自激振蕩的條件分析,當-Xf=Xid時,因為Xid·A ·F=Xf,則環路增益A·F = -1(這里A和F都是復數),也就是它滿足幅值條件和相位條件:|A ·F| = 1 且 φa+φf = (2n+1)*180°。為了突出附加相位的關系,相位條件也常寫成Δφa+ Δφf =±180°。
    所以,在滿足上述幅值條件和相位條件時,電路可 以保持振蕩的狀態。另外,一般情況下,當相位條件滿足Δφa+Δφf =±180°,且|A·F| > 1時,更容易起振,此時電路更容易由一個小幅振蕩越變越大,最終達到電路的電源可提 供的最大振幅。
    穩定工作的條件
    由上一節分析,自激振蕩的條件需要滿足相位條件 、幅值條件,所以,如果想要抑制電路自激,只要破壞任意一個條件即可,即要求|A·F| >=1時|φa+φf|<180°,或者當φa+φf=±180°時|A·F|<1。
    我們在環路增益A·F的波特圖上進行分析,如圖是 一個放大電路的環路增益波特圖示例:
    放大電路 自激振蕩
    我們將|A·F|和φa+φf的圖形橫坐標(頻率)對齊 ,然后比對。
    當|A·F|=1時,也即20lg|A·F|=0時,頻率為f0, 對應到附加相移φa+φf圖形上,可以看到此時相移是小于180°的,所以不會自激振蕩。也可 以通過相位條件反推,當相位條件滿足時,頻率為圖中f180,對應到幅值圖形中,可以看到增 益Gm的對數是小于0的,即|A·F|<1,也不會自激振蕩。
    圖中增益為0dB的相位與180°的差值φm稱為相位裕 度,Gm與0dB的差值稱為增益裕度。工程上一般要求φm>=45°或Gm<=-10dB,以保證電路 在外界干擾、環境變化、電路參數等條件變化時仍能保持良好的穩定性。
    下面我們以幾個簡單的例子來說明一下
    a)不滿足自激條件的電路仿真
    如下圖,是一個簡單的電壓跟隨器電路,負載是一 個純電阻:
    放大電路 自激振蕩
    我們使用波特圖儀仿真出它的環路增益波特圖,第 一個圖是幅頻響應,第二個圖是相頻響應。
    可以看到,第一幅圖中,這個電路的環路增益始終 比0dB小(最大為-0.004dB,頻率到1.9MHz時約為-10.9dB),所以不會自激振蕩。
    另一方面,第二幅圖中,相頻響應要到2.98MHz才能 使相移到145°左右,而此時幅頻響應是要遠小于0dB的,所以也不會自激振蕩。而且這個電路 有比較大的相位裕度和增益裕度。
    b)可能自激的情況
    如下圖,仍然是同樣的電壓跟隨器電路,但是負載 是一個電阻并聯電容:
    放大電路 自激振蕩
    我們知道,運放驅動電容性負載,是很容易發生振 蕩的,實際分析情況如何呢?
    可以看到,第一幅圖中,這個電路的環路增益起始 為0dB,之后有一個升高的尖峰,此區間增益是大于0dB的;到9.205kHz時降為1.75dB,此時仍 然是大于0dB的。
    另一方面,第二幅圖中相頻響應在9.205kHz時,相 移為-179.4°,接近-180°,此時是非常容易自激振蕩的。
    3)運放自激振蕩的補償
    運放自激振蕩時,一般可以通過以下幾種方法解決 :
    a)當振蕩由分布電容、電感等引起時,可通過反饋 端并聯電容,抵消影響
    如下圖,反相比例放大電路中,輸入處有分布電容 Cin,這個電容會引起一定的相位滯后,在一定頻率下會使得電路振蕩;解決辦法是在反饋電阻 R2上并聯一個電容Cf,稱為相位超前補償;增加Cf后可以使得0dB點的頻率后移。一般Cf取值為 幾pf至幾十pf,大于Cin即可。
    放大電路 自激振蕩
    b)振蕩是由于運放驅動容性負載引起,可以在輸出 端串接小電阻消除
    運放驅動容性負載,會使得反饋信號滯后,可以在 輸出處串接一個小電阻,減弱電容對反饋信號的滯后作用;這屬于環路外補償。如下仿真圖:
    放大電路 自激振蕩
    和上一節的容性負載波特圖比較,可以看到,在有 容性負載的輸出處串聯了一個5.1Ω的小電阻后,已經沒有大于0dB的點,而且相位裕度也很大 。
    c)降低環路增益
    前兩種方法都是通過調整電路的相位來實現的,某 些時候,可以降低電路的環路增益(即減少反饋量,增大閉環增益)來解決振蕩問題。如某些 種類的運放在閉環放大倍數小于1時,不能穩定工作,此時可以調整參數,增大其閉環增益A( 即減小F),則可以穩定工作。
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