運(yùn)算放大器輸出端加個(gè)電容運(yùn)放輸出就振蕩了？如何解決運(yùn)放電路振蕩問(wèn)題呢？

Part 01、前言

運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是保證運(yùn)放電路性能和可靠性的重要環(huán)節(jié)。若設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致電路振蕩、不穩(wěn)定甚至功能失效。很多硬件工程師在設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器電路時(shí)，往往只關(guān)注運(yùn)放的失調(diào)電壓，增益，共模抑制比這些參數(shù)，經(jīng)常會(huì)忽略運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，或者說(shuō)不理解運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)到底是怎么一回事，更有甚者會(huì)覺(jué)得自己采集的是直流信號(hào)，又不是什么高頻交流信號(hào)，沒(méi)必要關(guān)注運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，這些觀念都是不對(duì)的，今天我們就借助一個(gè)運(yùn)放輸出產(chǎn)生振蕩問(wèn)題的例子來(lái)說(shuō)明運(yùn)算放大器穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是怎么一回事，以及如何解決這一問(wèn)題。。

運(yùn)放的穩(wěn)定性取決于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益和反饋網(wǎng)絡(luò)的相互作用。振蕩通常與相位裕度和增益裕度不足有關(guān)，相位裕度也就是運(yùn)放在閉環(huán)系統(tǒng)中的開(kāi)環(huán)增益下降至 1（0dB）時(shí)的相位余量。常見(jiàn)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)目標(biāo)是相位裕度 ≥ 45°。而增益裕度是系統(tǒng)相位達(dá)到 -180°（失穩(wěn)條件）時(shí)的增益余量，通常要求增益裕度>6dB。

運(yùn)放穩(wěn)定性問(wèn)題的主要來(lái)源有負(fù)載效應(yīng)，比如電容性負(fù)載（如長(zhǎng)電纜、電容濾波器）可能降低相位裕度，引起振蕩?；蛘叻答伨W(wǎng)絡(luò)中反饋電阻和電容形成的頻率特性可能引入額外的極點(diǎn)或零點(diǎn)，影響穩(wěn)定性。運(yùn)放帶寬不足或增益帶寬積（GBW）不夠可能導(dǎo)致閉環(huán)增益響應(yīng)異常。以及PCB布線和元件寄生效應(yīng)也可能引起高頻振蕩。

今天我們講解的例子是運(yùn)放輸出放置電容后導(dǎo)致的運(yùn)放穩(wěn)定性問(wèn)題。

Part 02、實(shí)例講解

下圖是一個(gè)電壓跟隨器電路，輸出端有一個(gè)470nF的電容，輸入波形是一個(gè)周期2ms，占空比50%的方波，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)輸出波形存在很嚴(yán)重的振蕩問(wèn)題。

輸出波形振蕩：

原因分析：閉環(huán)反饋系統(tǒng)依賴于精確的反饋信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)輸出。如果反饋網(wǎng)絡(luò)引入了額外的延遲或相位偏移，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。運(yùn)放輸出端是有等效電阻Rout，此電阻和外部470nF負(fù)載電容會(huì)引入一個(gè)額外的極點(diǎn)，從而改變系統(tǒng)的頻率特性，降低相位裕度。

電容性負(fù)載會(huì)在運(yùn)放輸出端和地之間形成一個(gè)低通濾波器，輸出阻抗 Rout和電容CL構(gòu)成RC網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生一個(gè)附加極點(diǎn)。其截止頻率fp為：

該極點(diǎn)降低了系統(tǒng)的相位裕度。在高頻下，反饋信號(hào)的相位滯后可能接近或達(dá)到180°，與反相輸入引腳的信號(hào)疊加，形成正反饋，導(dǎo)致振蕩。

Part 03、如何解決？

方案1：串聯(lián)電阻在運(yùn)放輸出端與負(fù)載電容之間串聯(lián)一個(gè)小電阻Rs，形成電阻-電容（RC），隔離運(yùn)放的輸出阻抗Rout和負(fù)載電容CL的直接耦合，降低極點(diǎn)對(duì)相位裕度的影響。電阻的典型值為10Ω?100Ω，具體值需通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)確定。比如在運(yùn)放輸出端串聯(lián)10Ω電阻，重新仿真，發(fā)現(xiàn)運(yùn)放輸出端不再發(fā)生振蕩。

運(yùn)放輸出端波形：

方案2：增加外部補(bǔ)償電容

在運(yùn)放的反饋網(wǎng)絡(luò)中添加一個(gè)小電容Cf，用于補(bǔ)償高頻相位延遲，可以在反饋路徑引入一個(gè)零點(diǎn)，抵消輸出負(fù)載電容引入的極點(diǎn)，改善穩(wěn)定性。

方案3：選擇合適的運(yùn)放

選擇具有大電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力的運(yùn)放型號(hào)。例如：內(nèi)部帶有補(bǔ)償機(jī)制的運(yùn)放可以直接驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載。

方案4：優(yōu)化反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

調(diào)整反饋電阻和電容的比例，優(yōu)化系統(tǒng)的極點(diǎn)與零點(diǎn)分布，確保足夠的相位裕度。

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