本帖最后由 kk的回忆 于 2021-10-23 18:46 编辑
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运放是电路中使用很频繁的元件，使用运放搭建的运放纷繁复杂。在这里仅以很简单的跟随器做一个分析。跟随器电路在电路中将输入输出隔离，有阻抗匹配的作用，但跟随器是一个负反馈的电路，用到了负反馈了就会有输出振荡的问题，需要考虑电路系统的稳定性。下图分别使用LM318，,ua741，LM709三个运放搭建的跟随器，在阶跃信号的激励下，在电阻性负载的情况下。输出电压波形差别很大。 造成这种输出波形的不同，很显然是系统的相位裕度(phase margin)不够。在这里，不对传递函数和零极点等方面做进一步分析，主要通过仿真来观看电容型负载对运放的负反馈电路造成的影响。在工程电路中，一般定义PM=60°，那么系统就会是稳定的。但也不是PM越大越好，由于PM可以看作是系统进入不稳定状态之前可以增加的相位变化，PM越大，系统越稳定，但同时时间响应速度减慢了。所以在这个结论看来，VF3的PM是最大，VF1的PM最小。VF2的PM是比较理想的值，PM太大会过冲比较，振荡周期长。PM太小，响应速度又太慢了。通过仿真也可以看出，确实是这样的预期： 在仿真看来，LM318搭建的跟随器电路的PM是最小的，输出电压波形也是过冲的，看起来也不是不可以接受的。但是这是电阻性负载，如果是电容型负载，这种振荡现象会很明显的，如下图仿真。出现这种振荡波形，基本上就是不能接受的。 出现这种现象，主要是由于运放内部是由很多晶体管组成，信号每经过一个晶体管，就会产生极点的。组成负反馈后，再加上电容型负载，就会造成PM不够。下图是运放内部的简要示意图，由于存在输出阻抗Ro=100，在使用电容型负载的时候，Ro和CL就会形成一个极点，从而造成PM不够的。 既然存在了这个输出极点的问题，那么就要“斩断”这个极点，常用的做法就是在反馈节点和CL串联一个小电阻，将CL和反馈网络之间的联系断开。通过仿真来看，确实增加了PM，输出电压波形也没有振荡的。 这种改进方式是简单有效的。因此在很多实际电路中，无论是不是电容型负载，中间串联一个电阻，避免PM过低的现象发生。即使不是电容型负载，毕竟在电路板中是存在寄生电容的，这个还是会存在干扰的； 实际还可以进一步讨论，运放内部的输出阻抗Ro要是增大会怎么样呢？可以在运放输出端串联一个电阻，加入反馈 ，用来模拟运放内部的输出阻抗Ro。从仿真结果可以很清晰的看到，相位余量会更小，输出电压的波形会持续振荡，根本不收敛。在这种情况下的电路基本不能使用的。造成这个现象就是由于Ro的增加，Ro和CL组成的极点频率减小，让相位余量降低很快。 对于这种电路，可以通过上文的方式改进。除此之外，不增加串联电阻，还有其他方式调整，比如使用R2和C4组成滤波器，通过将输出电压信号的高频分量前馈到放大器的反相输入端，来抵消相位余量的损失，从而保持整个反馈环路的相位余量；这种电路的改进方式稍微复杂一些，但是改进相位余量的空间更多大，驱动的电容型负载也更大。 通过这个简单的跟随器电路说明，对于电容型负载，很多运放不是单位增益稳定，在负反馈电路的接法中，需要满足最小闭环放大倍数的条件，系统才能稳定，比如下面AD847的datasheet中就明确指出，需要系统稳定，需要达到Gain=2的最小放大倍数。当然很多运放就是单位增益稳定，只是价格更高，在挑选运放的时候要注意； 这个电路虽然看起来很简单，但由于运放使用的广泛性，掌握后用起来就很方便的。比如推挽电路用起来很方便，但是存在交越失真，但是单独使用运放的跟随器电路驱动能力又不够的问题。但是使用运放和推挽电路的结合，就能解决这个问题的。见下面的仿真数据。但是使用了运放和推挽电路的结合，系统的稳定性问题就出来了，相位余量考虑不够的话，就会造成电路的工作不正常。 这种电路在电容型负载的时候，相位余量不够，输出振荡。要是电路不能增加串联电阻，就要考虑增加电容，使用前馈的方式增加PM。改善电路的方式很多，电路越复杂，改进起来就越麻烦，了解多一些的改进方式，也就多一些思路的。这个帖子是自己的一点总结，给大家做参考，也可以在下面回帖，举出改善运放的稳定性的方法。
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