南华大学黄智伟 利用电容器消除放大器电路的自激振荡

南华大学黄智伟在放大器反馈回路中增加一个电容器可以消除放大器电路的自激振荡
在电子设计竞赛的培训和竞赛过程中,放大器是各赛题的基本组成部分。放大器电路的自激振荡几乎是做过放大器的同学都遇到过的问题:一个放大器模块今天测不振荡,放一天来测就有振荡了,搞搞又不振荡了,但问题也没有到;单级放大器模块不振荡,两级连接在一起就振荡了,分开测试都不振荡…….. ;十分纠结。
使用OP放大器时,振荡是大问题之一。振荡使输出中产生预料之外的振幅和频率信号。而且,振荡并非总是稳定地在同样状态下产生。放大器是一会儿振荡,一会儿不振荡,神出鬼没,实在难以捕捉。因此,在一定的条件下做试验,即使当时没有振荡,此电路也不一定就稳定,条件改变后也许就会振荡。在调试过程中,当输入为零时,输出总是处于饱和状态,或示波器的荧光屏上总是有一定幅值和频率的输出电压,这就是自激振荡现象。mavs
约大多数自激振荡都是周期性的,故可以在示波器的荧光屏上调出稳定的信号。一些复杂的电路,可能同时产生频率不同的振荡。
当电路中存在有很强的寄生反馈时,往往会产生间歇振荡。间歇振荡的包络频率通常较低,当包络内的高频振荡频率超出示波器的通频带时,在荧光屏上观察到的只是低频振荡。
鉴别其究竟是真正的低频寄生振荡,还是高频的间歇振荡,可以改变电路的接线或用手触摸电路的某些部位。如果是低频自激振荡,不会受微小的寄生电容、电感的影响。受到影响而使振荡的幅度发生明显变化的,则必定是高频间歇振荡。
要定量确定振荡等异常现象,需要使用示波器。实际上,用示波器观测到的振荡是各种各样的。经常发生的振荡示意在图1中。图1(a)(d)就是在原来的信号上,信号波形看起来稍有变化。而扩大后(如圆圈内所示)看起来呈正弦波形。图1(b)是积分器发现的例子。在输出端基本观测不到,可以在虚拟短路的输入端之间观测到。图1(c)(e)是振荡得很厉害的例子。OP放大器的振荡波形中,通常振幅小的是正弦波,振幅大时就近似于锯齿波或三角波。注意,即使使用示波器一些高频率、小振幅的振荡,有时也会看漏。
使用示波器时,请注意以下几点:①光点始终调整为小、灵敏。②不要对自动或自由振荡明线用完不管,要全部使用触发模式。③探头需要校正,要在了解了自己的示波器性能后使用。
(d)(e)
图1 放大器上所见到的自激振荡波形
作为直流放大器的OP放大器也会产生意外高的频率而振荡,例如741也可能产生500kHz~1MHz振荡。
振荡的发生是要有条件的,当一个电路的增益和相位满足振荡条件时(振幅平衡条件
和相位平衡条件),将产生自激振荡(见模拟电子技术教材)。
如图2所示,一个放大器电路可以分为如下3个部分:①是“放大器部分”;②是“反馈部分”;③是电源和地,以及电源的旁路电容器等[[日]冈村迪夫.OP放大器设计[M].北京:科学出版社,2004.9]。
引起放大器电路自激振荡与这3个部分有关:放大器部分与放大器的放大倍数和频率的特性,以及相
位补偿有关;反馈部分与反馈电阻是否是纯电阻,或者输入和负载所加的电容量有关;第③部分范围非常广范,看起来似乎并不重要,但解决起来却很费事。
图2  放大器电路可以分为3个部分
要消除自激振荡,破坏其振荡条件即可。如图3所示,在反馈回路中增加一个电容器C f,这样做的目的是为了在振荡频率附近降低放大器的开环增益,破坏自激振荡条件[[日]冈村迪夫.OP放大器设计[M].北京:科学出版社,2004.9]。
图3  在放大器的反馈回路中增加一个电容器
认真处理电源和地,以及电源的旁路电容器,减少放大器输入/输出端PCB布局的杂散电容可以有效的防止自激振荡。
注意:该方法仅对电压反馈放大器电路有效!!!如果运用在电流反馈放大器上,则十有八九会使你的电路振荡起来。
例如,在电压反馈型放大器中,常会在反馈电阻R F上并联一只电容C F来限制运放的带宽从而减少运放的宽带噪声和振荡,这在电压反馈放大器中会有很好的效果,但是如果运用
在电流反馈放大器上,则十有八九会使你的电路振荡起来。一个示例[Texas Instruments Inc. 黄争.德州仪
www.ti如图4所示,使用一个电流反馈放大器TTHS3001 器高性能模拟器件在高校中的应用及选型指南V2.0[EB/OL]. ]
和电压反馈放大器THS4001 分别来反相放大一个5MHz 的方波。从图5可见,THS3001 和THS4001 都出现了一些过冲。
如图6所示,如果我们分别在THS3001 和THS4001的R F(R2)上并联一个小电容C F来改善这种过冲。如图7所示,电压反馈放大器THS4001 在C F的帮助下,输出波形的过冲得到改善。电容C F能够增强电压反馈运放的稳定性,但是会限制其带宽(请记住任何增强的稳定性都是以带宽的牺牲作为代价的)。而对于电流反馈放大器THS3001,在C F的作用下,电路振荡起来了。
发明网那么如何改善THS3001 的过冲呢?很简单,增大R F(R2)即可。在图4(a)所示电路中, THS3001 在增大R F(R2)到1kΩ后,可以输出完美的方波
注意:一些电路,由于其反馈回路中是纯电容支路,例如MFB型滤波器,不推荐使用电流反馈放大器。
(a)THS3001构成的反相放大器电路(b)THS4001 构成的反相放大器电路图4  THS3001 和THS4001 构成的反相放大器电路(R
为R F)
2
(a)THS3001反相放大器输出(b)THS4001反相放大器输出
沙画工具
图5  THS3001 和THS4001反相放大器的输出波形
(a)在THS3001的R F上并联C F(b)在THS4001的R F上并联C F
图6  在THS3001 和THS4001反相放大器的R F上并联C F
(R2为R F)
(a)并联C F后THS3001的输出(b)并联C F后THS4001的输出
图7 并联C F后THS3001 和THS4001反相放大器的输出波形
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