关于运放接入容性负载后的稳定性问题

gmchen

关于运放接入容性负载后的稳定性问题 [复制链接]

 

看到有人翻出来一个很久以前的帖子，是运放接入电容负载后发生振荡的，但似乎没有看到正确的回帖。这个现象是菜鸟级设计者常见的一个错误，为此在这里做一点分析。由于篇幅的限制，这里不做详细的数学分析，只给出一些定性的说明与结论。
运放内部存在多个极点，大部分运放的开环频率特性在0dB以上有一个主极点，是一个类似一阶低通网络的特性，但是在接近0dB的地方通常会存在一个或几个高阶极点，所以其相频特性在0dB频率左右大约有-140～-150度的相移，或者说当它接成跟随器后将会有40～50度的相位裕量，这个裕量足以保证运放的稳定性。

然而，运放在接入容性负载后，运放的输出电阻（运放本身的，不是闭环后的——闭环后要除以AF，所以变得极低）与输出端的对地电容构成一个一阶低通网络，因此带容性负载的放大器的环路频率特性可以看作原来运放的开环频率特性与一个一阶低通网络的串联。由于这个增加的极点，使得环路相频特性在0dB频率左右的相移变大（更负），也就是说反馈后的相位裕量变小。若这个相位裕量小到接近0或小于0，电路的振荡就不可避免。

所以，对于不想做进一步研究的电路设计者来说，只要记住上述结论，尽量不要接入电容负载就可以了。那个很久以前的帖子中，设计者希望接入电容做一个低通滤波，正确的做法是在反馈电阻上并联一个电容而不是将电容接在运放输出端。

ericlee

实际就是做一个补偿。

gmchen

下面做进一步的分析。
从上面的分析可知，引起运放自激的是电容负载引入的一个极点。但是如果这个极点的频率很高，远远高于运放开环0dB频率，那么它引起的环路相频特性变化也在远高于0dB频率的地方，那样就对运放的稳定性基本不会有影响。而前述的那个例子恰恰用了一个容量极大的电解电容，那样就构成了一个频率很低的极点，所以振荡不可避免。通常，运放的开环输出电阻有几十到几百欧姆的数量级（也有更大的），而大部分运放开环0dB频率就是GBP（单位增益带宽，或带宽增益积——这里只针对电压反馈型运放，电流反馈型运放不适合这个讨论），所以如果运放输出端接入的对地电容与其开环输出电阻的乘积远小于GBP的倒数，那就是稳定的，如果不满足上述条件就要考虑采用合适的防振荡措施了。

gmchen

必须接入电容负载时的措施：
如果电路中容性负载不可避免，那么要采用一定的防自激措施，最简单的措施是在放大器的输出端串联一个小电阻后再接入容性负载（反馈电阻还是从运放的输出端接入），这个电阻称为隔离电阻。其原理很简单，就是不让电容直接与运放输出连接，那样从直观上看就是削弱了电容的移相作用，数学分析可以看到它会引入一个零点，这个零点具有相位超前的功能，从而可以抵消电容的相位滞后。这个方法的缺点是由于反馈电阻的接入点与负载接入点不在一起（两点之间有一个隔离电阻），所以实际放大倍数与理论设计值有较大的误差。
还有一个方法是先在运放的输出端与反相输入端之间接一个反馈电容，然后在运放输出端接一个隔离电阻，最后在隔离电阻后面接入容性负载以及反馈电阻（另一端到反相输入端）。这个电路的原理是利用增加的反馈电容作为相位补偿，使得放大器的整个反馈网络中除了容性负载引入的极点以外，还有反馈电容引入的零点，同样起到抵消作用。这个方法由于负载与反馈电阻位于同一点，所以实际放大倍数与理论放大倍数基本相同。
最后指出一点，上述两种方法中由于隔离电阻的引入，最后放大器的频响不可避免受到影响，高频响应将有所降低。

gmchen

下面是上述两种可以接入容性负载的电路图。

飞鸿浩劫

这是普通做法，以前在ADI的手册上还是哪里看到过另一种驱动容性负载的接法，比这个驱动能力更强，可惜找不到了

zca123

gmchen 发表于 2016-12-3 19:14
下面做进一步的分析。
从上面的分析可知，引起运放自激的是电容负载引入的一个极点。但是如果这个极点的频 ...

这个远小于在实际应用中该如何考虑，有无经验值可取？

gmchen

zca123 发表于 2016-12-5 16:30
这个远小于在实际应用中该如何考虑，有无经验值可取？

那个附加极点的频率是1/(2*pi*RC)，在穿越频率（也就是GBP——当然只对完全补偿的电压反馈型运放而言）引起的附加相移与极点频率与穿越频率的比值有关，若附加极点/穿越频率=5，则附加相移大约是10度，一般的运放对于这个附加相移还是可以接受的。按照这个关系，RC乘积的倒数是GBP的30倍以上就可以忽略负载电容的影响。
以上关系对于非完全补偿的运放也适用，但是非完全补偿的运放的GBP与穿越频率不相同，所以必须要用穿越频率（开环增益0dB的频率）计算。
当然这个30倍是比较安全的估计，实际上附加相移大于10度运放也不一定自激，所以有时候也会放宽一些要求的

gmchen

gmchen 发表于 2016-12-5 19:01
那个附加极点的频率是1/(2*pi*RC)，在穿越频率（也就是GBP——当然只对完全补偿的电压反馈型运放而言）引 ...

追加一点说明。
前面说的30倍GBP，是指运放全反馈（接成跟随器）情况下的稳定要求。
非完全补偿的运放由于不可能全反馈，所以用穿越频率，这个频率是放大器的开环增益（或者更准确地说是整个环路的增益，即AF）为0dB时的频率。

632679164

真精彩，谢谢前辈。请问有相应的书籍资料吗？

gmchen

632679164 发表于 2017-8-31 13:34
真精彩，谢谢前辈。请问有相应的书籍资料吗？

上述的内容大部分是笔者自己推导的并有一定的实验支持。有一些资料但是都很散，似乎我也没有看到过详细的推导。

xx.exe

ST的一篇应用笔记

gmchen

xx.exe 发表于 2017-9-5 16:28
ST的一篇应用笔记

谢谢！

HI蚂蚁漫步

TKS  XX.EXE

w1976408602@163

请问怎么计算零极点，有软件吗

gmchen

w1976408602@163 发表于 2019-6-3 20:17
请问怎么计算零极点，有软件吗

呵呵，列方程应该是没有软件的（也许我不知道，反正我是手工做的）。解方程是有软件的，网上也有，但是要付钱，所以我基本上都是手工做。当然，如果不需要解析解，直接代入数据求数值解的话，好多软件都可以实现，我也是用软件解的。