放大器自激的产生与消除

只看该作者 · 2023-3-7 10:02

本帖最后由 blust5 于 2023-3-7 10:14 编辑

要讲放大器的自激，首先要讲一下什么是放大器。

广义上讲，放大器是增加信号幅度或功率的装置，它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。
放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。
而我们电子行业所说的放大器，一般是指电子放大器里的运算放大器，简称运放。

运算放大器是一个内含多级放大电路的电子集成电路，其输入级是差分放大电路，具有高输入电阻和抑制零点漂移能力；中间级主要进行电压放大，具有高电压放大倍数，一般由共射极放大电路构成；输出极与负载相连，具有带载能力强、低输出电阻特点。运算放大器的应用非常广泛。

那么运算放大器是怎么工作的呢？它的工作原理是什么样的呢？
运算放大器有三个端口，其中有两个输入端口，分别为“+”和“-”，一个输出端口。当输入信号从“-”端口输入放大器时，输出端的输出信号与输入信号反相；反之，当输入信号从“+”端口输入放大器时，输出端的输出信号与输入信号同相；当两个输入端口同时输入信号时，运算放大器实现减数运算，输出信号与较大的一方同相。所以说，运算放大器基本上可以说是一个电压放大器。
一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。
我们分析放大电路时一般会用到两个概念：虚短和虚断。其中虚断对应的就是无限大的输入阻抗，从而导致输入放大器引脚的电流基本为0。而虚短一般是在稳定工作的放大电路中使用，由于其无限大的开环增益特性，正输入端和负输入端只要有电压差，通过无限放大，即可在输出端输出无限大的正/负电压（实际上会被限制在供电电压的值上），因此放大电路想要正常工作，需要保证运放的正负输入端电压相等，即虚短。
当然，当运放并不是应用在对输入信号进行特定倍数的放大时，也可以不保证正负输入端的电压一致，这并不会损坏放大器。比如在开环情况下使用运放时，由于其特别大的增益，会使得输入端有很小电压差时即可在输出端获得达到供电电压的电平输出。这种情况就是比较器的用法。

为了限制运放的超大增益，我们在设计特定放大倍数的放大电路时，会给运放加上反馈电路，从而使输出信号达到我们预期的放大倍数。
反馈电路分为正反馈和负反馈，正反馈由于会进一步增加输出的增益，因此无法满足我们的要求；而负反馈刚好可以抵消部分放大增益，从而限制输出增益，我们可以通过调整反馈参数，最终使得整个电路达到预期的设计值。

上图是反相输入闭环负反馈放大电路，其输出电压与输入电压的关系式如下：

如果想要让输出电压与输入信号同相的话，可以使用同相输入闭环负反馈放大电路。

同相输入放大电路的输出电压与输入电压的关系式如下：

这两个关系式就是使用虚短和虚断的概念分析出来的，在这里就不详细展开了。

下面我们来聊一下放大器的自激。
什么是放大器的自激呢？从字面上来理解，自激就是自己激励了自己，也就是说，在没有外部输入信号（输入信号为0）的情况下，放大电路自己产生了输出信号。我们可以通过将输入端对地短路，用示波器观察放大电路的输出端信号来判断一个具体的放大电路是否有自激现象。
放大器为什么会产生自激现象呢？我们从原理上来浅浅的分析一下。
我们日常使用的运放芯片，其内部并不是只有一级放大电路，一般都是由多级直流放大器组成的一个芯片。
而由于每级放大器的输出以及后一级放大器的输入都会存在输出阻抗和输入阻抗（而非理想情况的零输出阻抗和无限大输入阻抗）以及分布电容，这就导致了每一级之间都会存在R-C相移网络。当信号每通过一级放大器时，也要经过一级R-C相移网络，这就会产生一个相移。此外，在运放的外部偏置电阻和运放输入电容，运放输出电阻和容性负载反馈电容，以及多级运放通过电源的公共内阻，甚至电源线上的分布电感，接地不良等耦合，都可形成附加相移。
如果这些相移总和超过了180°，会导致输出端信号通过负反馈回路叠加到输入信号上的分量实际产生的效果变成正反馈。前面已经分析过，正反馈电路会导致很小的输入信号经过多次的正反馈叠加之后产生相当大的输出，从而使得放大电路产生自激震荡。
那么哪些情况会导致相移总和过大呢？
一般来说可能是运放的分布电容和电感、运放的容性负载或者是放大电路设计的反馈过深引起的。

放大电路的自激现象肯定不是我们想要的结果。那么我们要怎么消除放大电路的自激震荡呢？
我们先从理论上来进行分析。

上图是放大电路的框图模型。负反馈放大电路在引入了反馈量之后，放大电路的净输入Xid将减小，所以Xi和Xf是同相位的。也就是说，通过基本放大电路A和反馈网络F的处理之后，信号变化了整数个周期，有相移角φa+φf=2n*180°。
上面的分析是基于信号处于中频区域，电路中的电抗性元器件影响不明显；当信号处于高频或低频区时，电路中的电抗性元器件的影响增大，基本放大电路的增益A和反馈网络的反馈系数F的相位都会随频率产生变化，从而使得Xf与Xi不再同相位，进而产生附加相位。
当在某一频率下，A和F的附加相位达到180°时，就会使φa+φf = (2n+1)*180°，即Xf与Xi变成了反相，放大电路由负反馈变成了正反馈！进一步地说，当正反馈较强时，以至于达到-Xf=Xid时，则此时电路没有输入，也能产生输出信号，即发生了自激振荡。
以自激振荡的条件分析，当-Xf=Xid时，因为Xid·A·F=Xf，则环路增益A·F=-1（这里的A和F都是复数）。也就是说，它满足幅值条件和相位条件：|A·F|=1且φa+φf=（2n+1）*180°。
为了突出附加相位的关系，相位条件也常写为Δφa+Δφf =±180°。
所以，在满足上述幅值条件和相位条件时，电路可以保持振荡的状态。另外，一般情况下，当相位条件满足Δφa+Δφf =±180°且|A·F|>1时，更容易起振。此时电路更容易由一个小幅振荡越变越大，最终达到电路的电源可提供的最大振幅。
从上面的分析可以看到，要达到自激振荡，需要同时满足相位条件和幅值条件。因此，想要抑制电路的自激，破坏掉其中一个条件即可，即要求|A·F|>=1时，|φa+φf|<180°，或者当φa+φf=±180°时，|A·F|<1。
我们来看一个放大电路的环路增益波特图。

在这个波特图上，我们将|A·F|和φa+φf的图形横坐标（频率）对齐，然后进行一下比对。
当|A·F|=1时，也即20lg|A·F|=0时，频率为f0，对应到附加相移φa+φf图形上，可以看到此时相移是小于180°的，所以不会自激振荡。
当然，也可以通过相位条件反推，当相位条件满足时，频率为图中f180，对应到幅值图形中，可以看到增益Gm的对数是小于0的，即|A·F|<1，也不会自激振荡。
上图中，增益为0dB的相位与180°的差值φm称为相位裕度；而Gm与0dB的差值称为增益裕度。
工程上一般要求φm>=45°或Gm<=-10dB，以保证电路在外界干扰、环境变化、电路参数等条件变化时仍能保持良好的稳定性。

我们从理论上基本了解了自激产生的原因以及如何抑制自激的产生，那么实际设计过程中可以通过哪些手段来抑制自激呢？
当振荡由分布电容、电感等引起时，可通过反馈端并联电容，抵消影响。
如下图所示，反相比例放大电路中，输入处有分布电容Cin，这个电容会引起一定的相位滞后，在一定频率下会使得电路振荡。解决办法是在反馈电阻R2上并联一个电容Cf，称为相位超前补偿；增加Cf后可以使得0dB点的频率后移。一般Cf取值为几pf至几十pf，大于Cin即可。

当振荡是由于运放驱动容性负载引起时，可以在输出端串接小电阻消除。
运放驱动容性负载，会使得反馈信号滞后，可以在输出处串接一个小电阻，减弱电容对反馈信号的滞后作用，这属于环路外补偿。

另外，在整板设计时，也可以通过一些方法来减少自激产生的可能性。比如：
保证电源供电稳定，无纹波，可以加大滤波电容提高稳定，当然有条件的话采用C-L-C滤波网络滤波效果更好。
电路连接线走线都尽可能短，如果是自己做PCB板电路，空余部分都保留铜箔，并和地线相连。
放大电路离电源电路应远些，尤其是离电源变压器远点。
电源变压器，放大电路板，有可能的话尽量用金属盒屏蔽起来后接地。
对于放大电路来说，放大倍数太大也容易引起自激，所以尽量减少放大倍数。
放大级数太多时也容易引起自激，所以要尽量减少放大级数（一般不要大于4级）。
选取运算放大芯片，或者晶体管时，尽量选取带宽较宽，负载能力较强的元件，这样电路实现功能会比较容易，不过相应的也会贵一些。
多级放大时采用反向放大可降低自激产生的可能性。
如果要接入功放再进行电流放大的话，最好用两个电源，将电路共地就行了。因为功放一般功耗大，容易引起总电源供电不稳。

以上就是我关于放大器自激的产生与消除的了解，希望大家讨论补充。

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