運(yùn)算放大器輸出震蕩的原因和防震方法

當(dāng)采用buffer 驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載或者整個(gè)回路中存在較多的RC 延時(shí)環(huán)節(jié)，當(dāng)輸入信號(hào)為瞬變信號(hào)，容易導(dǎo)致輸出震蕩。接下來我們了解輸出震蕩的原因以及防止震蕩的方法。

一、為什么輸出會(huì)震蕩?

實(shí)際運(yùn)算放大器芯片的輸出端會(huì)存在輸出阻抗，如下圖中Ro，當(dāng)運(yùn)放帶容性負(fù)載，如驅(qū)動(dòng)線圈;驅(qū)動(dòng)MOS管等。運(yùn)放芯片內(nèi)部Ro會(huì)與輸出電容CL形成極點(diǎn)：fp =1/2pi*CL*Ro極點(diǎn)造成系統(tǒng)相位裕度下降 (當(dāng)相位裕度為20°時(shí)，輸出的超調(diào)量高達(dá)55%)從而造成輸出震蕩。

時(shí)域上當(dāng)CL較大(nF~uF級(jí)別)時(shí)，時(shí)域上運(yùn)放輸出到反饋之間由RoCL造成的延遲過大導(dǎo)致輸出震蕩。(只有輸入信號(hào)為瞬變信號(hào)時(shí)才會(huì)由于其包含的高頻分量信號(hào)無法及時(shí)被反饋而震蕩)

二、防震方法 1 ——輸出加電阻：

在輸出加電阻是借由Riso引入新的零極點(diǎn)fz1、發(fā)fp1，當(dāng)Riso>>Ro時(shí)，fp1 ≈ fz1 零極點(diǎn)近似相互抵消，達(dá)到補(bǔ)償系統(tǒng)相位裕度的目的。

fz1 =1/2pi*CL*Riso，fp1=1/2pi* CL* ( Ro +Riso)

fz1零點(diǎn)補(bǔ)償在穿越頻率10倍頻，開環(huán)增益等于20dB處(可從datasheet的幅值相位曲線中得到對(duì)應(yīng)頻率)，即可得到 。

此辦法雖然解決了穩(wěn)定性的問題，但會(huì)在Riso上產(chǎn)生壓降，使輸出直流精度下降。不在意精度的時(shí)候可以采用此辦法。

三、解決直流精度問題的防震方法2 ——雙反饋回路

從上圖看到在原有方法1 的基礎(chǔ)上新增加CF，RF，從輸出到反饋端引入了兩條路徑。RF 把信號(hào)的低頻分量(CF: Open，RF: Closes the feedback around Riso)由正向輸入端跟隨到輸出端; CF則把回路通過的高頻分量(CF: Short, RF is effectively open)經(jīng)Riso引入整個(gè)回路，實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

上圖為兩個(gè)反饋路徑以及兩者疊加的幅值裕度隨頻率變化曲線。當(dāng)圍繞一個(gè)運(yùn)放使用雙反饋路徑時(shí)，兩個(gè)反饋路徑交疊處疊加出來的反饋效果會(huì)使1/β 斜率從+20db/decade 突然 變成了-20dB/decade。這意味著1/β曲線存在一個(gè)復(fù)共軛極點(diǎn)，這樣相應(yīng)地在環(huán)路增益曲線上即有 一個(gè)復(fù)共軛零點(diǎn)。復(fù)零點(diǎn)與極點(diǎn)在其對(duì)應(yīng)的頻率上引起一個(gè) +/-90 度的相移。此外，復(fù)零點(diǎn)/復(fù)極點(diǎn)的相位斜率， 在其出現(xiàn)頻率位置附近的一個(gè)狹窄頻帶內(nèi)可從+/-90 度變化至+/-180 度。復(fù)零點(diǎn)/復(fù)極點(diǎn)的產(chǎn)生在閉環(huán)運(yùn)放響應(yīng)中可能會(huì)引起嚴(yán)重的增益尖峰，這是很不希望看到的情況，尤其在功率運(yùn)放電路中。因此，對(duì)于CF的取值我們不希望太小，導(dǎo)致相位裕度變化頻帶過窄，同時(shí)也不能太大，使整體帶寬變小。

對(duì)于的具體取值：

1. Riso>> Ro

2. RF ≥100×Riso

3.6*Riso*CL≤RF*CF≤18*Riso*CL ，CF在此范圍內(nèi)取值可保證兩個(gè)路徑相對(duì)穩(wěn)定。

分享具體案例：

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：以一顆常用運(yùn)放器件(phase margin 75°)為例。

當(dāng)其帶容性負(fù)載為1uF時(shí)，通過Bode 100對(duì)以下電路進(jìn)行掃頻得到其開環(huán)特性的幅頻和相頻曲線。

取Riso=18Ω進(jìn)行相位補(bǔ)償，再對(duì)增加Riso的電路進(jìn)行掃頻，得到的開環(huán)特性的幅頻和相頻曲線如下所示。

如上圖，加入Riso后系統(tǒng)相位裕度變成81°，添加Rf=22kΩ,

取Rf>1000Riso,Cf分別取5/10/15nF，輸入1V階躍信號(hào)(黃色)，輸出電壓波形(藍(lán)色)如下圖所示，Cf越大阻尼越大, 超調(diào)量越小。實(shí)際Rf>100Riso即可，這樣Cf更大系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，超調(diào)量會(huì)減小。

通過以上實(shí)驗(yàn)，我們知道當(dāng)運(yùn)放跟隨電路帶容性負(fù)載輸出震蕩時(shí)，可以通過添加Riso與雙反饋回路進(jìn)行相位與精度補(bǔ)償，在用戶端我們也推薦工程師預(yù)留Riso、Rf、Cf的位置。如若已經(jīng)設(shè)計(jì)好電路來不及修改，也可嘗試選用相位裕度較大的運(yùn)放進(jìn)行替代。