运放振荡问题的个人理解
多次听到要注意运放振荡的问题,只知其然不知其所以然,最近又碰到这些问题,抽时间了解了一下相关问题,汇总一下,纯属个人浅显的理解,欢迎交流。
补充:
2022.11.14 高速运放LTC6228 的AC分析
2023.2.9 一次运放跟随产生振荡与补偿的记录
运放振荡产生原因?
振荡一般发生在具有反馈回路的电路中,要满足相位360° 和环路增益 >1 的条件 ,理想情况下的运放是不会满足振荡条件的。非理想下参考 运算放大器会发生振荡的原因是什么 里面的一些描述,大致从4个方面引入相位:
1. 运放的输入引脚的寄生电容 和 反馈电阻引入一个极点,带来最多90°相位滞后;
参考后面的例子,引脚寄生电容一般在数个pF,反馈电阻假如取1k,极点位置大致在10Mhz–100Mhz。
2.输出端负载电容 与 运放等效输出阻抗 引入极点,带来做多90°相位滞后;
3.运放本身速率有限,即从输入到输出之间的延时引起的相位滞后;
换一种说法,小于信号周期的延时就是意味着额外的滞后相移,往往在高频时会带来更可讨论的相位滞后,高频下周期小,同样的延时量,对应相位就越大!
这一点,如果频率更高,可能运放本身带来的相移将更加夸张,但是如果增益不满足,极点落在工作频带外,也无所谓了。
4.即负反馈引入的-180°
总之,由于一下非理想因素,考虑足够宽的频带,360°相位条件是可以满足的,至于增益条件,单级放大倍数往往也是10-100,远大于1,相位和增益都是可能满足振荡条件的。
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抑制振荡
以ADI的高速运放AD6228数据手册相关描述为例:
运放本身的反相和延时都是不好操作的,而输出负载带来的极点有点多变需要视情况,也不好操作,好操作的就是输入寄生电容和反馈电阻带来的极点;
运放输入侧的寄生电容一般在数个pF(AD6228 parastic cap 为7pF) , 这时直接在反馈电阻上并联一个相近的电容,就在附近引入零点, 直观上进行了相位补偿。
另一方面,反馈跨接的电容也可以通过米勒定理角度来说,不过好像对理解也没有什么巧妙的帮助。
其中一个问题是,零点是不是只要在极点前面引入,补偿就会起作用?
我倾向于是,但是零点越往前意味着补偿电容越大,反馈回路上的性能牺牲就越大 !
更进一步的,零极点回路分别是哪些?反馈电阻取10k时,反馈补偿电容是否也要*10?就需要写一下传输函数了
Vi(s)/Vf(s) = ( Rn || 1/s Cpar)/(Rn || 1/s Cpar + Rf||1/sCf) = Rn/(Rn+Rf) * (1+s Cf Rf) / (1+s (Cf+Cpar) Rn||Rf)
(只算了一次,计算错误欢迎指正)
确实依然是单极点,引入零点,只不过以前的极点现在也移动了
零点 s = -1/(Cf Rf)
极点 s = -1/((Cf+Cpar)* Rn||Rf )
考虑正频率绝对值,要起到 补偿,应让零点频率位于极点前出现,或者在附近不远,满足
1/Cf Rf)≤ 1/((Cf+Cpar)* Rn||Rf )
如果Cf=Cpar, Rn (neg 接地电阻) = Rf ,则刚好零点和极点重合,完美抵消!
一般,Rf > Rn ,如果取10K ,零点前移至1/10频率处,而Rn||Rf 远小于Rf, 这时如果是为了刚好让零极点重合,反馈电容Cf 选取应该加大,来让整个极点频率和零点保持。
但是如前面所说,假设只要零点出现在极点前,补偿就有用,那么补偿电容取小一点也是可以的。
总之,使用时,就加和寄生电容差不多的反馈电容就能起作用!
还有一个问题是,跟随器的反馈电阻问题,除了限制因为瞬时压差造成的电流问题,限制了增益还会造成振荡吗?可以参考下面讨论:
运放接成同相跟随器时,为何有些电路要在负反馈上增加一个电阻?
直观感受是振荡难以形成,但是如果工作频点较高,相位裕度不足,可能会引入干扰。
回到上面传输函数,跟随器下,反相端对地的Rn消失,表现为断开,则
零点 s = -1/(Cf Rf)
极点 s = -1/((Cf+Cpar)* Rf )
那零点必然在极点右侧,也不太能起到补偿作用!
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补充:高速运放LTC6228 的AC分析
LT6228 手册标注-3dB带宽接近800Mhz,
其一个同相放大100倍或1000倍电路示例,
放大1000倍结果
放大100倍结果
分别标注相移45°的频率(所谓近似主极点?),放大1000倍时在800khz左右,放大100倍时7Mhz左右,运放本身的相移就来到 -45°,如果前后再引入两个极点振荡的概率就提升了,这进一步验证了进行单级大倍数放大时进行补偿的必要性。
补充:一次振荡产生与补偿的记录
设计如下电路:
所用运放为LTC6228, 具有很高的增益带宽 800M, 实际信号经过前面的低通后变成直流,运放仅仅是跟随器作用,但是为了使得同相和反相输入的电阻尽可能对称来抵消Vos和输入偏置、漂移电流的影响,接上了1k反馈电阻,于是乎本该直流的输出产生了如下振荡,振荡频率63Mhz:
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补偿调整1,直接反馈并联7pF的电容,如下原振荡得到很大程度抑制,剩下的或许是噪声或许是探头接触带来的串扰。
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补偿调整2,反馈电阻换成0r ,几乎完全得到抑制,但这样的潜在影响是运放的同相、反相输入的阻抗最不对称,输入失调影响将比较大,结果就是输出多出一定直流偏置,如果有放大,偏置影响还比较明显。
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补偿调整3,反馈电阻换成100r, 并联电容加7pF ——相比1k反馈时,毛刺明显变小,同时振荡得到抑制。
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