为什么我的运算放大器振荡?
经典的DIP-8放大器组件你会发现用旧实验室设备和通用的组件非常有用。更强大的和专门的运算放大器通常不提供在老泡包,而他们最经常使用小包装表面装配组件。虽然包的大小为运算放大器已成为更现代,有些事情永远不会改变的运算放大器。
一些运放电路会有一个问题关于他们的稳定性,在那里他们将输出一个信号,表明不是目的,通常一个特定的正弦信号。当这些运算放大器振荡发生时,设计师应采取措施消除这些通过检查反馈回路。当试图推动更高级的放大器进入更高的频率范围,有问题在印刷电路板上的电路或导致这些振荡。在本文中,我们来看看这些挑战。
运算放大器振荡的原因
当一个运放电路是不稳定的,它将展示一个连续的正弦振荡放大电路的输出。振荡容易识别一个运放电路中测量和仿真。例如,大多数商业运算放大器振荡频率,通常可以用低成本的示波器。意想不到的振荡被兴奋的一个例子作为输入交流波瞬态响应如下所示。
在某些情况下,运放的输出会有这种振荡与正弦驱动时输入。不受欢迎的正弦振荡频率可能非常接近理想的正弦输出,所以输出应该检查是否所需的信号。有几个方法可以确定一个正弦输出是一种不稳定的振荡。
- 测量频率和比较预期的输出频率
- 改变输入电压水平/振幅;不稳定的振荡会很对输入电压的变化水平
- 交流输入,输入频率变化;如果不改变输出频率,输出可能振荡
最简单的振动来确定在一个运放放大直流电压。直流输入一个运算放大器通常会给出一个预期的直流输出,但是这通常会应用一个阶跃函数的输入。如果你应用阶跃输入所需的直流值,你可以看到一个正弦输出的直流输出,则振荡电路。
从上面的例子,我们可以看到,输出时产生一个持续振荡电路是不稳定的。输出并不一定需要正弦波;它可能是一个一般的周期波形。是什么原因导致这些振荡和为什么他们坚持?这与反馈回路相缘。
反馈回路延时和相位
不稳定是通过无意中产生大的相位延迟的负反馈循环运算放大器。放大器的输出之间的相位延迟和反相反馈节点决定一个运放电路的稳定性。这将发生在特定频率(波兰)环路增益谱。
一般来说,我们可以定义以下关系一个运放的输出电压和环路增益。环路增益可以是复数,所以我们可以定义三种可能情况下的环路增益和产生的振荡。
运算放大器振荡条件。
当运放的输出传播回输入,可以体验相移,由于开环增益的作用和任何额外的反馈回路电抗。例如,如果有多余的电容反馈回路,这可能会导致一个相移作为输出传播回输入负反馈循环。
当输出的相位延迟到反相输入达到180°时,输入将与非反相输入的信号是不同相的。在这种情况下,当两个输入运放输出转向平衡,180°导致负反馈转变成积极的反馈。这个新形成的正反馈使闭环增益会发散到正无穷,我们得到一个持续振荡。
我们现在可以定义一定数量称为阶段保证金定义如何关闭反馈回路的相移已经接近180°。相缘可以定义如下:
阶段定义。
In the definition of phase margin, the value of is the phase of the loop gain spectrum, and -180° < φ < 0°. Typically a value for can be found as a function of frequency by looking in a component datasheet. This may be available in a phase shift plot, which ideally should show as a function of frequency.
在一些数据,比如跨阻抗放大器使用光电二极管,光电二极管的输入电容将截止和相位不稳定是接近。下面的例子展示了一个跨阻抗和典型值增益谱光电二极管的输入电容,反馈电阻,光电流。频率响应显示了一个巨大的峰值,我们预期强烈振荡在~ 450 MHz。调整输入电容和反馈电阻会产生不同的曲线。
这个互阻抗的峰值增益图对应的频率,我们所期望的不稳定。
一般来说,如果有反馈回路电抗的地方,这可以增加相移()或点值我们希望从开环增益谱和相位裕度可以开始接近0°。
为什么这个反转发生?通常有三个原因,这些不稳定起来,总结如表所示。
电抗的电路(如一个过滤器) |
如果一个过滤器添加到一个稳定的放大器,滤波器可以使电路不稳定 |
电抗(寄生在PCB布局 |
这可能会产生相同的影响增加活性成分 |
负载电容 |
驱动容性负载知名造成不稳定 |
投入产出相声 |
在非常高的频率,功率放大器有可能经历由于投入产出耦合不稳定性。 |
持续振荡
放大器的典型形式不稳定是一个持续振荡。对于一个设计师来说,目标是能够预测在哪些条件下不稳定。这通常可以通过覆盖(ꞵ)和开环增益的反馈因素在同一图。
从这里我们可以看到,我们有环路增益= 0分贝和由此产生的相位容限;这发生在1 /ꞵ曲线和开环增益曲线相交。由此产生的阶段保证金会告诉你如何关闭运放是运行在充分积极的反馈。设计师所使用的标准的规则是运行阶段保证金的运放电路,这样一直大于45°。
如果这产生一个振荡,这种振荡铁路放大器,和设备将使饱和增益谱的杆产生方波的输出。这基本上是相同的结果,好像有意的正反馈应用通过纯电阻反馈循环(方波发生器)。
欠阻尼的振动(铃声)
在上面的讨论中,我们需要区分“稳定”的持续的振动和响了。响背后的想法是一个短暂的瞬态响应,在初始振荡很兴奋,然后死在时间(相对较快欠阻尼的振动)。一些设计师和工程师会将下面的振铃观察称为“不稳定”或者一个“不稳定”运放。
响的条件(见上面的绿色曲线)是:
环路增益放大器欠阻尼的振动条件。
这里我们有一个相位响应在这两个量构成的环路增益,和他们一起可以产生负面的环路增益的大小。一般来说,这将发生在有反馈回路相移,但增长阶段保证金不足以创建一个持续或振荡。
事实是,这些响波形会出现即使没有额外的电抗和阶段保证金直接放置在反馈回路。例如,过滤运算放大器可以生产这些振荡输入时用脉冲迈出的一步。同样可以发生在方波代或突然变化的输入/输出。
总结
运算放大器经验由于不良的延迟和不稳定和振荡阶段保证金的反馈循环。额外的保证金可以来自运放的设计阶段或从PCB布局运放被放置的地方。一些常见的运放电路,可以观察到这些振荡包括下面的列表:
- 缓冲区的稳定参考电压
- 互阻抗放大器
- 瞬态抑制在运算放大器
- MOSFET栅极驱动程序
- 线驱动放大器
需要注意的另一点是关于术语。尽管一个工程师通常描述一个振荡放大器作为“不稳定”,它满足“稳定”的数学定义作为动力系统的稳定性分析中定义。尽管电路是稳定数学因为振荡总是以固定振幅,这并不意味着振荡是可取的。振动仍应通过消除过度阶段被淘汰边缘的反馈循环。
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