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負(fù)反饋放大電路自激振蕩相關(guān)的問題

出處:CSDN技術(shù)社區(qū) 發(fā)布于:2022-09-06 16:08:11 | 5344 次閱讀

    一般我們討論的負(fù)反饋放大電路多關(guān)注其幅頻特性(也就是它的增益);而對其相頻特性關(guān)注的不多,這主要是因為,一個放大電路如果它工作狀態(tài)是穩(wěn)定的,其輸入和輸出相差一定的相位對分析它的特性并不影響,只是相當(dāng)于信號延遲了一點(diǎn)時間。
    注意這里有個前提條件,就是放大電路工作是穩(wěn)定的,也就是說它不會自激振蕩。這一節(jié)我們分析一下負(fù)反饋放大電路自激振蕩相關(guān)的問題。
    1)自激振蕩產(chǎn)生的原理
    我們先回顧一下負(fù)反饋放大電路的基本原理框圖:
   

    如圖中,負(fù)反饋放大電路在引入了反饋量之后,放大電路的凈輸入Xid將減小,所以Xi和Xf是同相位的,也就是通過基本放大電路A和反饋網(wǎng)絡(luò)F的處理之后,信號變化了整數(shù)個周期,有相移角φa+φf=2n*180°。
    上面的分析,是基于信號處于中頻區(qū)域,電路中的電抗性元器件影響不明顯;當(dāng)信號處于高頻或低頻區(qū)時,電路中的電抗性元器件的影響增大,基本放大電路的增益A和反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)F的相位都會隨頻率產(chǎn)生變化,會使得Xf與Xi不再同相位,產(chǎn)生附加相位。
    當(dāng)在某一頻率下,A和F的附加相位達(dá)到180°時,就會使得φa+φf = (2n+1)*180°,即Xf與Xi變成了反相,放大電路由負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答?
    進(jìn)一步地,當(dāng)正反饋較強(qiáng)時,以至于達(dá)到-Xf=Xid時,則此時電路沒有輸入,也能產(chǎn)生輸出信號,即發(fā)生了自激振蕩。
    以自激振蕩的條件分析,當(dāng)-Xf=Xid時,因為Xid·A·F=Xf,則環(huán)路增益A·F = -1(這里A和F都是復(fù)數(shù)),也就是它滿足幅值條件和相位條件:|A·F| = 1 且 φa+φf = (2n+1)*180°。為了突出附加相位的關(guān)系,相位條件也常寫成Δφa+Δφf =±180°。
    所以,在滿足上述幅值條件和相位條件時,電路可以保持振蕩的狀態(tài)。另外,一般情況下,當(dāng)相位條件滿足Δφa+Δφf =±180°,且|A·F| > 1時,更容易起振,此時電路更容易由一個小幅振蕩越變越大,最終達(dá)到電路的電源可提供的最大振幅。
    2)穩(wěn)定工作的條件
    由上一節(jié)分析,自激振蕩的條件需要滿足相位條件、幅值條件,所以,如果想要抑制電路自激,只要破壞任意一個條件即可,即要求|A·F|>=1時|φa+φf|<180°,或者當(dāng)φa+φf=±180°時|A·F|<1。
    我們在環(huán)路增益A·F的波特圖上進(jìn)行分析,如圖是一個放大電路的環(huán)路增益波特圖示例:
   


    我們將|A·F|和φa+φf的圖形橫坐標(biāo)(頻率)對齊,然后比對。
    當(dāng)|A·F|=1時,也即20lg|A·F|=0時,頻率為f0,對應(yīng)到附加相移φa+φf圖形上,可以看到此時相移是小于180°的,所以不會自激振蕩。也可以通過相位條件反推,當(dāng)相位條件滿足時,頻率為圖中f180,對應(yīng)到幅值圖形中,可以看到增益Gm的對數(shù)是小于0的,即|A·F|<1,也不會自激振蕩。
    圖中增益為0dB的相位與180°的差值φm稱為相位裕度,Gm與0dB的差值稱為增益裕度。工程上一般要求φm>=45°或Gm<=-10dB,以保證電路在外界干擾、環(huán)境變化、電路參數(shù)等條件變化時仍能保持良好的穩(wěn)定性。
    下面我們以幾個簡單的例子來說明一下
    a)不滿足自激條件的電路仿真
    如下圖,是一個簡單的電壓跟隨器電路,負(fù)載是一個純電阻:
   

    

    我們使用波特圖儀仿真出它的環(huán)路增益波特圖,第一個圖是幅頻響應(yīng),第二個圖是相頻響應(yīng)。
    可以看到,第一幅圖中,這個電路的環(huán)路增益始終比0dB小(最大為-0.004dB,頻率到1.9MHz時約為-10.9dB),所以不會自激振蕩。
    另一方面,第二幅圖中,相頻響應(yīng)要到2.98MHz才能使相移到145°左右,而此時幅頻響應(yīng)是要遠(yuǎn)小于0dB的,所以也不會自激振蕩。而且這個電路有比較大的相位裕度和增益裕度。
    b)可能自激的情況
    如下圖,仍然是同樣的電壓跟隨器電路,但是負(fù)載是一個電阻并聯(lián)電容
   

   

    我們知道,運(yùn)放驅(qū)動電容性負(fù)載,是很容易發(fā)生振蕩的,實(shí)際分析情況如何呢?
    可以看到,第一幅圖中,這個電路的環(huán)路增益起始為0dB,之后有一個升高的尖峰,此區(qū)間增益是大于0dB的;到9.205kHz時降為1.75dB,此時仍然是大于0dB的。
    另一方面,第二幅圖中相頻響應(yīng)在9.205kHz時,相移為-179.4°,接近-180°,此時是非常容易自激振蕩的。
    3)運(yùn)放自激振蕩的補(bǔ)償
    運(yùn)放自激振蕩時,一般可以通過以下幾種方法解決:
    a)當(dāng)振蕩由分布電容、電感等引起時,可通過反饋端并聯(lián)電容,抵消影響
    如下圖,反相比例放大電路中,輸入處有分布電容Cin,這個電容會引起一定的相位滯后,在一定頻率下會使得電路振蕩;解決辦法是在反饋電阻R2上并聯(lián)一個電容Cf,稱為相位超前補(bǔ)償;增加Cf后可以使得0dB點(diǎn)的頻率后移。一般Cf取值為幾pf至幾十pf,大于Cin即可。
 

    b)振蕩是由于運(yùn)放驅(qū)動容性負(fù)載引起,可以在輸出端串接小電阻消除
    運(yùn)放驅(qū)動容性負(fù)載,會使得反饋信號滯后,可以在輸出處串接一個小電阻,減弱電容對反饋信號的滯后作用;這屬于環(huán)路外補(bǔ)償。如下仿真圖:

    和上一節(jié)的容性負(fù)載波特圖比較,可以看到,在有容性負(fù)載的輸出處串聯(lián)了一個5.1Ω的小電阻后,已經(jīng)沒有大于0dB的點(diǎn),而且相位裕度也很大。
    c)降低環(huán)路增益
    前兩種方法都是通過調(diào)整電路的相位來實(shí)現(xiàn)的,某些時候,可以降低電路的環(huán)路增益(即減少反饋量,增大閉環(huán)增益)來解決振蕩問題。如某些種類的運(yùn)放在閉環(huán)放大倍數(shù)小于1時,不能穩(wěn)定工作,此時可以調(diào)整參數(shù),增大其閉環(huán)增益A(即減小F),則可以穩(wěn)定工作。

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