使用運放構成電壓跟隨器的穩定性問題

2021-01-15 電子產品世界

　　本文介紹了使用運放構成電壓跟隨器的穩定性問題及解決方法。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/281685.htm

　　用運放構成電壓跟隨器的電路，傳統教科書僅是簡單的把輸出和反相輸入端連接起來完事兒(如圖一)，而實際電路要複雜的多，穩定性問題不可忽視!本文是在一家日本IC廠家網站上找到的，希望對實際應用有一點幫助。

　　(電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數恆小於且接近1。

　　電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。

　　在電路中，電壓跟隨器一般做緩衝級及隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果後級的輸入阻抗比較小，那麼信號就會有相當的部分損耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩衝。起到承上啟下的作用。應用電壓跟隨器的另外一個好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應用高品質的電容提供了前提保證。電壓跟隨器的另外一個作用就是隔離，在HI-FI電路中，關於負反饋的爭議已經很久了，其實，如果真的沒有負反饋的作用，相信絕大多數的放大電路是不能很好的工作的。但是由於引入了大環路負反饋電路，揚聲器的反電動勢就會通過反饋電路，與輸入信號疊加。造成音質模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末級採用了無大環路負反饋的電路，試圖通過斷開負反饋迴路來消除大環路負反饋的帶來的弊端。但是，由於放大器的末級的工作電流變化很大，其失真度很難保證。)

　　

 

　　圖一

　　Q. 用電壓跟隨器使運算放大器保持穩定，須注意哪些問題?

　　A：對於採用負反饋的放大電路，如何減少振蕩以保持穩定，目前尚無定論。電壓跟隨器也不例外。

　　運算放大器理想的運行狀態是輸出電壓和輸入電壓為同相，即，當負輸入端的印加電壓引起輸出增大時，運算放大器能夠相應地使增加的電壓降低。不過，運算放大器的輸入端和輸出端的相位總有差異。當輸出和輸出之間的相位相差180°時，負輸入與正輸入正好相同，原本應該減少的輸出卻得到了增強。(成為正反潰的狀態。)如果在特定頻段陷入這一狀態，並且仍然保持原有振幅，那麼該輸出頻率和振蕩狀態將一直持續下去。

　　

 

　　2. 輸入輸出端出現相位差的主要原因

　　其原因大致可分為兩種:

　　1，由於運算放大器固有的特性

　　2，由於運算放大器以外的反饋環路的特性

　　2.1. 運算放大器的特性

　　Fig2a 及Fig2b分別代表性地反映了運算放大器的電壓增益—頻率特性和相位—頻率特性。數據手冊中也有這兩張曲線圖。

　　如圖所示，運算放大器的電壓增益和相位隨頻率變化。運算放大器的增益與反饋後的增益(使用電壓跟隨器時為0dB)之差，即為反饋環路繞行一周的增益(反饋增益)。如果反饋增益不足1倍(0dB)，那麼，即使相位變化180o，回到正反饋狀態，負增益也將在電路中逐漸衰減，理論上不會引起震蕩。

　　反而言之，當相位變化180o後，如頻率對應的環路增益為1倍，則將維持原有振幅;如頻率對應的環路增益為大於1倍時，振幅將逐漸發散。在多數情況下，在振幅發散過程中，受最大輸出電壓等非線性要素的影響，振幅受到限制，將維持震蕩狀態。

　　為此，當環路增益為0dB時的頻率所對應的相位與180o之間的差是判斷負反饋環路穩定性的重要因素，該參數稱為相位裕度。

　　如沒有特別說明，單個放大器作為電壓跟隨器時，要保持足夠相位裕度的。

　　註：數據手冊註明「建議使用6dB以上的增益」的放大器，不可用作電壓跟隨器。

　　

 

　　2.2. 運算放大器周邊電路對反饋環路的影響

　　在實際應用中，構成電壓跟隨器並非象Fig1.那樣簡單地將輸入端和輸出端直接連接在一起。至少輸出端是與某個負載連接在一起的。因此，必須考慮到該負載對放大器的影響。

　　例如，如Fig3.所示，輸出端和接地之間接電容時，這一容量與運算放大器的輸出電阻構成的常數造成相位滯後。

　　(Fig2b.所示之狀態可能變化為Fig2c所示之狀態)這時，環路增益在輸出電阻和C的作用下降低。同時，相位和增益之間不再有比例關係，相位滯後成為決定性因素，使反饋環路失去穩定，最糟糕時可能導致震蕩。單純地在輸出端和接地之間連接電容，構成電壓跟隨器時，每種運算放大器之間的穩定性存在差異。

　　Fig4.為輸入端需要保護電阻的運算放大器可能發生的問題。

　　為解決Fig3.出現的問題，可採用Fig5.(a)、(b)所示之方法。(a)圖中插入R，消除因CL而產生的反饋環路相位滯後。(在高頻區，R作為運算放大器的負荷取代了CL而顯現出來。) (b)則用C1來消除CL造成的相位滯後。

　　為解決Fig4.的問題，則可在輸入保護電阻上並聯一個尺寸適當的電容。一般被叫做「輸入電容取消值」的近似值約為10pF～100pF。

　　

 

　　

 

　　FIg5.FIg3.解決方法


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