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運算放大器的環(huán)路穩(wěn)定性基礎(chǔ)知識介紹

冬至子 ? 來源:模擬應(yīng)用工程師小明 ? 作者:模擬應(yīng)用工程師 ? 2023-04-26 16:39 ? 次閱讀

運放的環(huán)路穩(wěn)定性是指在負反饋控制下,運放的輸出是否穩(wěn)定,即不會出現(xiàn)震蕩、失控等不穩(wěn)定的情況。

為了更好的理解運放環(huán)路穩(wěn)定性,讓我們先來回顧下兩個最基本的概念,極點和零點。

首先對于極點,下圖是給出的在波特圖中極點的所表征的意義,對于截止頻率(cutoff frequency)的定義是在隨著頻率變化輸出信號幅值降低為輸入信號的0.707倍的時候?qū)?yīng)的頻率點,這個也是我們通常所說的-3dB頻率點(20×lg0.707)。一個極點會引起-20dB/decade的滾降在其幅頻曲線上,且在對應(yīng)的相頻曲線上會引起一個-90°的相移。

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接下來是零點,如下圖所示,給出了零點對應(yīng)在幅頻和相頻曲線上的表現(xiàn),一個零點引起波特圖上20dB/decade的增加,同時零點會引起+90°的相位移動。

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由于現(xiàn)代運算放大器的復(fù)雜性,使用一個直觀的模型對交流穩(wěn)定性分析時非常有幫助。在這個簡化的模型中,應(yīng)用于輸入的差分輸入電壓被傳遞到放大器的輸出級,在通過放大器的開環(huán)增益和開環(huán)輸出阻抗后到達輸出端。

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運算放大器的開環(huán)增益Aol,對于理想運放Aol是無窮大的,不受頻率限制。開環(huán)輸出阻抗Zo是衡量運算放大器開環(huán)輸出級阻抗的一個重要參數(shù)。 Zo不應(yīng)與放大器的閉環(huán)輸出阻抗Zout混淆,后者取決于Zo,Aol和電路配置。實際上,對于新的軌到軌輸出級,Zo可以在頻率上大幅變化,從而使穩(wěn)定性分析變得更加困難。

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如上圖所示,我們給出運算放大器的環(huán)路穩(wěn)定性的模型,理解運放的環(huán)路穩(wěn)定性,需要了解幾個概念:

1.相位裕度(phase margin):相位裕度是指在放大電路的增益等于1時,相位差與180度的差值。相位裕度越大,系統(tǒng)越穩(wěn)定。

2.增益裕度(gain margin):增益裕度是指在相位差等于-180度時,放大電路的增益與1的差值。增益裕度越大,系統(tǒng)越穩(wěn)定。

3.開環(huán)增益(open-loop gain, Aol):開環(huán)增益是指運放在沒有負反饋的情況下的增益。

4.閉環(huán)增益(closed-loop gain, Acl):閉環(huán)增益是指運放在有負反饋的情況下的增益。

5.反饋系數(shù)(feedback factor):輸出電壓反饋到輸入的比例,通常也被稱為beta系數(shù)。

通過了解這些概念,我們可以更好地理解運放的環(huán)路穩(wěn)定性。如果運放的相位裕度和增益裕度都很小,就容易出現(xiàn)震蕩和失控現(xiàn)象。這是因為在這種情況下,即使有微小的干擾,也可能引起輸出振蕩。因此,為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,我們需要選擇相位裕度和增益裕度較大的運放。

此外,如果運放的開環(huán)增益太高,那么在有負反饋的情況下,閉環(huán)增益就會非常大,容易引起不穩(wěn)定的情況。為了解決這個問題,可以采用限制放大電路的帶寬等方法,以降低放大電路的增益,從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

總之,要系統(tǒng)地理解運放的環(huán)路穩(wěn)定性,需要對運放的基本特性和負反饋控制的原理有深入的了解,并結(jié)合實際應(yīng)用進行分析和設(shè)計。

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