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运放自激振荡和消除_相位_电路

雨夜梧桐 2024-11-11 04:05:16 0

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我们先回顾一下负反馈放大电路的基本事理框图:

如图中,负反馈放大电路在引入了反馈量之后,放大电路的净输入Xid将减小,以是Xi和Xf是同相位的,也便是通过基本放大电路A和反馈网络F的处理之后,旗子暗记变革了整数个周期,有相移角φa+φf=2n180°。

运放自激振荡和消除_相位_电路 科学

上面的剖析,是基于旗子暗记处于中频区域,电路中的电抗性元器件影响不明显;当旗子暗记处于高频或低频区时,电路中的电抗性元器件的影响增大,基本放大电路的增益A和反馈网络的反馈系数F的相位都会随频率产生变革,会使得Xf与Xi不再同相位,产生附加相位。

当在某一频率下,A和F的附加相位达到180°时,就会使得φa+φf = (2n+1)180°,即Xf与Xi变成了反相,放大电路由负反馈变成了正反馈!

进一步地,当正反馈较强时,以至于达到-Xf=Xid时,则此时电路没有输入,也能产生输出旗子暗记,即发生了自激振荡。

以自激振荡的条件剖析,当-Xf=Xid时,由于Xid·A·F=Xf,则环路增益A·F = -1(这里A和F都是复数),也便是它知足幅值条件和相位条件:|A·F| = 1 且 φa+φf = (2n+1)180°。
为了突出附加相位的关系,相位条件也常写成Δφa+Δφf =±180°。

以是,在知足上述幅值条件和相位条件时,电路可以保持振荡的状态。
其余,一样平常情形下,当相位条件知足Δφa+Δφf =±180°,且|A·F| > 1时,更随意马虎起振,此时电路更随意马虎由一个小幅振荡越变越大,终极达到电路的电源可供应的最大振幅。

2)稳定事情的条件

由上一节剖析,自激振荡的条件须要知足相位条件、幅值条件,以是,如果想要抑制电路自激,只要毁坏任意一个条件即可,即哀求|A·F|>=1时|φa+φf|<180°,或者当φa+φf=±180°时|A·F|<1。

我们在环路增益A·F的波特图上进行剖析,如图是一个放大电路的环路增益波特图示例:

我们将|A·F|和φa+φf的图形横坐标(频率)对齐,然后比对。

当|A·F|=1时,也即20lg|A·F|=0时,频率为f0,对应到附加相移φa+φf图形上,可以看到此时相移是小于180°的,以是不会自激振荡。
也可以通过相位条件反推,当相位条件知足时,频率为图中f180,对应到幅值图形中,可以看到增益Gm的对数是小于0的,即|A·F|<1,也不会自激振荡。

图中增益为0dB的相位与180°的差值φm称为相位裕度,Gm与0dB的差值称为增益裕度。
工程上一样平常哀求φm>=45°或Gm<=-10dB,以担保电路在外界滋扰、环境变革、电路参数等条件变革时仍能保持良好的稳定性。

下面我们以几个大略的例子来解释一下

a)不知足自激条件的电路仿真

如下图,是一个大略的电压跟随器电路,负载是一个纯电阻:

我们利用波特图仪仿真出它的环路增益波特图,第一个图是幅频相应,第二个图是相频相应。

可以看到,第一幅图中,这个电路的环路增益始终比0dB小(最大为-0.004dB,频率到1.9MHz时约为-10.9dB),以是不会自激振荡。

另一方面,第二幅图中,相频相应要到2.98MHz才能使相移到145°旁边,而此时幅频相应是要远小于0dB的,以是也不会自激振荡。
而且这个电路有比较大的相位裕度和增益裕度。

b)可能自激的情形

如下图,仍旧是同样的电压跟随器电路,但是负载是一个电阻并联电容:

我们知道,运放驱动电容性负载,是很随意马虎发生振荡的,实际剖析情形如何呢?

可以看到,第一幅图中,这个电路的环路增益起始为0dB,之后有一个升高的尖峰,此区间增益是大于0dB的;到9.205kHz时降为1.75dB,此时仍旧是大于0dB的。

另一方面,第二幅图中相频相应在9.205kHz时,相移为-179.4°,靠近-180°,此时是非常随意马虎自激振荡的。

3)运放自激振荡的补偿

运放自激振荡时,一样平常可以通过以下几种方法办理:

a)当振荡由分布电容、电感等引起时,可通过反馈端并联电容,抵消影响

如下图,反比较例放大电路中,输入处有分布电容Cin,这个电容会引起一定的相位滞后,在一定频率下会使得电路振荡;办理办法是在反馈电阻R2上并联一个电容Cf,称为相位超前补偿;增加Cf后可以使得0dB点的频率后移。
一样平常Cf取值为几pf至几十pf,大于Cin即可。

b)振荡是由于运放驱动容性负载引起,可以在输出端串接小电阻肃清

运放驱动容性负载,会使得反馈旗子暗记滞后,可以在输出处串接一个小电阻,减弱电容对反馈旗子暗记的滞后浸染;这属于环路外补偿。
如下仿真图:

和上一节的容性负载波特图比较,可以看到,在有容性负载的输出处串联了一个5.1Ω的小电阻后,已经没有大于0dB的点,而且相位裕度也很大。

c)降落环路增益

前两种方法都是通过调度电路的相位来实现的,某些时候,可以降落电路的环路增益(即减少反馈量,增大闭环增益)来办理振荡问题。
如某些种类的运放在闭环放大倍数小于1时,不能稳定事情,此时可以调度参数,增大其闭环增益A(即减小F),则可以稳定事情。

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