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当心回路增益

2020-03-12 09:58:29 John Dunn 阅读:
本文利用一个总反馈为单位增益电压跟随器的运算放大器简化模型,对回路增益展开深入讨论。

这个主题我曾经讨论过,但这次会更深入地讨论它。图1中可以看到一个简化的运算放大器模型,其总反馈是一个单位增益电压跟随器。dvqednc

图1:具有完全反馈的简化运算放大器模型。dvqednc

所有运算放大器的频率响应都至少有两个极点。一个极点位于低频,称为F1,而第二个极点位于高频,称为F2。如果令C3为零,而使F3处没有极点,并且采用直线近似,那么总反馈频率滚降曲线如图2所示。dvqednc

图2:本条件下的总反馈频率滚降曲线。dvqednc

当F2处极点的频率大于0dB交越频率时,此滚降曲线通过该交越点时的斜率会非常接近-6dB/oct。在这种情况下,增益裕度和相位裕度很好,放大器不会发生振荡,也就是“稳定”。dvqednc

图3:如果F2下降到0dB交越点以下,则滚降曲线通过该交越点的斜率接近-12dB/oct。dvqednc

但是,如果较高频率极点F2的频率不够高——F2下降到0dB交越点以下,则滚降曲线通过该交越点的斜率会接近-12dB/oct(图3)。这时,增益裕度和相位裕度很差,很可能会导致振荡不稳定。dvqednc

我们这些老头儿还记得Fairchild µA709运放设计时就是如此。这款运算放大器不是“单位增益稳定”的,不能用作单位增益电压跟随器。Fairchild µA709的后继产品是µA741,其单位增益稳定。dvqednc

图4所示,如果再次将F2放回较高位置,但是引入极点F3,那么就会再次使通过0dB交越点的斜率为-12dB/oct,从而出现相同的不稳定性问题。dvqednc

图4:如果将F2设置到较高位置并引入极点F3,则会产生相同的不稳定性问题。dvqednc

当然,如果引入F3并将F2再次降低,则通过0dB交越点的斜率将为-18dB/oct,在这种情况下,运算放大器肯定会发生振荡。这个图就没必要再画了!dvqednc

现在来看看上述情况的实际结果。在图5的同相电路中,(a)电路运算放大器的反相输入与同相输入之间连有一个电容器C3,还有两个电阻器用来提供反馈。dvqednc

图5:此同相电路展示了上述情况的实际结果。dvqednc

再次参见图5,为了使围绕回路的反馈最大化,可以令可变电阻R开路,而为了进行回路稳定性分析,可以将C3从E1的零电源阻抗转移到地的零电源阻抗,如(b)中所示。将R3反馈电阻任意设置为10kΩ,并使用递归微分方程分析(一维有限元分析),可以检查输出信号的瞬态响应与C3处可变电容值之间的关系(图6)。dvqednc

图6:使用递归微分方程分析,可以检查输出信号的瞬态响应与C3处可变电容值之间的关系。dvqednc

例如,选择一个开环直流增益为100dB、低频极点F1为10Hz、高频极点F2为4MHz的运算放大器,可以获得1MHz的单位增益(0dB)交越频率。若是令C3选取几个不同的值,则可得到图7所示的几个结果。dvqednc

图7:方波信号Ein的输出响应。dvqednc

若干年前,我参加了美国长岛举办的一个研讨会,Bob Pease(那时他还在NS)在会上发言说,建议使用一个诸如C3的电容器,推荐值为1000pF。我提问说,这样一个电容器可能会由于相位裕量下降而导致反馈不稳定。“很高兴您提出这个问题!”他回答说。然后他将1000pF的建议值降低到100pF。dvqednc

即使那样,我仍然不希望这样做。最好是找到方法,让EMI完全远离运算放大器,而不是试着使用C3,使该运算放大器不受EMI输入的影响。Bob Pease最初建议的是1000pF,对于这个运放来说效果就不佳。使用100pF则会更好,但我个人的想法是完全避免使用任何C3,而去寻找其他方法来抑制EMI敏感性问题。dvqednc

John Dunn是一名电子顾问,毕业于布鲁克林理工学院(BSEE)和纽约大学(MSEE)。dvqednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Beware of loop gaindvqednc

本文为《电子技术设计》2020年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里dvqednc

本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
John Dunn
John Dunn是资深电子顾问,毕业于布鲁克林理工学院(BSEE)和纽约大学(MSEE)。
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