发新帖本帖赏金 50.00元(功能说明)我要提问
返回列表

[技术讨论] 电容型负载对跟随器的影响,使用仿真看一看!

[复制链接]
20658|19
手机看帖
扫描二维码
随时随地手机跟帖
kk的回忆|  楼主 | 2021-10-23 18:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 kk的回忆 于 2021-10-23 18:46 编辑

#申请原创# @21小跑堂

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,ua741LM709三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。
465146173e63e75be2.png
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,VF3PM是最大,VF1PM最小。VF2PM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:
67246173e64b44372.png
611656173e6539cbeb.png
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。
751606173e663c53ed.png
6166173e66a847f1.png
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。
826486173e677147d2.png
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。
210366173e6846e6c4.png
894076173e6893d7ff.png
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,RoCL组成的极点频率减小,让相位余量降低很快。
378866173e69928493.png
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R2C4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。
682446173e6a67b37f.png
162246173e6ad9bd74.png
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;
966806173e6b8c9a7a.png
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。
267966173e6c47b376.png
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。
663186173e6d18e7e9.png


使用特权

评论回复

打赏榜单

21小跑堂 打赏了 50.00 元 2021-10-26
理由:恭喜通过原创文章审核!请多多加油哦!

相关帖子

王栋春| | 2021-10-23 22:10 | 显示全部楼层
不是很了解,仔细学习吸收一下。                                       

使用特权

评论回复

评论

928919540 2021-10-27 13:06 回复TA
文章写的不错,值得学习 
928919540 2021-10-27 13:06 回复TA
写的不错 
NK6108| | 2021-10-23 23:25 | 显示全部楼层
负载与反馈都是电阻性,这  相位裕度  何来,应该是运放内部电路的寄生参数造成的吧 ?!
既然如此,容性负载令负反馈(尤其是大环路反馈)系统自激就不奇怪了,电容是会造成相移的嘛。

使用特权

评论回复
kk的回忆|  楼主 | 2021-10-24 15:20 | 显示全部楼层
NK6108 发表于 2021-10-23 23:25
负载与反馈都是电阻性,这  相位裕度  何来,应该是运放内部电路的寄生参数造成的吧 ?!
既然如此,容性 ...

没有说奇怪啊,写个帖子对这个现象说明下而已,对于容性负载的情况下如何提高PM,避免自激而已。
《LinearTechnology官方教学视频》-也对这个录了一集视频说明的,感兴趣可以去B站看下的

使用特权

评论回复
怀揣少年梦| | 2021-10-27 08:34 | 显示全部楼层
大佬的仿真软件是什么

使用特权

评论回复
kk的回忆|  楼主 | 2021-10-27 13:05 | 显示全部楼层
怀揣少年梦 发表于 2021-10-27 08:34
大佬的仿真软件是什么

用的TINA

使用特权

评论回复
928919540| | 2021-10-27 13:07 | 显示全部楼层
王栋春 发表于 2021-10-23 22:10
不是很了解,仔细学习吸收一下。

写得不错

使用特权

评论回复
928919540| | 2021-10-27 13:08 | 显示全部楼层
讲解的很透彻

使用特权

评论回复
怀揣少年梦| | 2021-10-27 14:09 | 显示全部楼层

好的,多谢大佬

使用特权

评论回复
qbwww| | 2021-10-27 14:30 | 显示全部楼层
学习学习

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

使用特权

评论回复
Gavin3389| | 2021-10-27 15:23 | 显示全部楼层
讲的挺好,学习了,
简单的跟随器还有这么多门道,
还好我用的基本上都是阻性负载

使用特权

评论回复
tree123321| | 2021-10-28 20:28 | 显示全部楼层
虽然写的内容很简单,但是用代表性,不错

使用特权

评论回复
天又123456| | 2021-10-28 20:30 | 显示全部楼层
有帮助,以后多写一些这样基础容易看懂的帖子

使用特权

评论回复
sky啊| | 2021-11-1 11:16 | 显示全部楼层
学习

使用特权

评论回复
努力反击| | 2021-11-11 11:44 | 显示全部楼层
学习

使用特权

评论回复
快点| | 2021-11-19 15:28 | 显示全部楼层
学习一下

使用特权

评论回复
wanwenhao1| | 2021-11-19 17:14 | 显示全部楼层
谢谢分享!就是配图太小,看得好累还看不清楚。

使用特权

评论回复
lianghaodang| | 2021-11-30 12:32 | 显示全部楼层
谢谢分享!就是配图太小,看得好累还看不清楚。

使用特权

评论回复
返回列表 发新帖 本帖赏金 50.00元(功能说明)我要提问
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则