南华大学黄智伟系列--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
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本帖最后由 paulhyde 于 2014-9-15 03:42 编辑
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，但问题也没有找到；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。
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。
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Cf，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。
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