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運算放大器的環路穩定性基礎知識介紹

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

運放的環路穩定性是指在負反饋控制下,運放的輸出是否穩定,即不會出現震蕩、失控等不穩定的情況。

為了更好的理解運放環路穩定性,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倍的時候對應的頻率點,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,給出了零點對應在幅頻和相頻曲線上的表現,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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由于現代運算放大器的復雜性,使用一個直觀的模型對交流穩定性分析時非常有幫助。在這個簡化的模型中,應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增益和開環輸出阻抗后到達輸出端。

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運算放大器的開環增益Aol,對于理想運放Aol是無窮大的,不受頻率限制。開環輸出阻抗Zo是衡量運算放大器開環輸出級阻抗的一個重要參數。 Zo不應與放大器的閉環輸出阻抗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路穩定性的模型,理解運放的環路穩定性,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,系統越穩定。

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,系統越穩定。

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

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

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

通過了解這些概念,我們可以更好地理解運放的環路穩定性。如果運放的相位裕度和增益裕度都很小,就容易出現震蕩和失控現象。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,為了保證系統的穩定性,我們需要選擇相位裕度和增益裕度較大的運放。

此外,如果運放的開環增益太高,那么在有負反饋的情況下,閉環增益就會非常大,容易引起不穩定的情況。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,從而提高系統的穩定性。

總之,要系統地理解運放的環路穩定性,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,并結合實際應用進行分析和設計。

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