常见问题
用电压跟随器使运算放大器保持稳定,须注意哪些问题?
众所周知,采用负反馈的放大电路可以避免自振而保持电路稳定。电压跟随器也不例外。(Fig18_1.)
- 运算放大器理想的工作状态是输出电压和输入电压为同相位,因为是负输入端印加电压,所以当输出增大时,运算放大器会促使输出电压降低而开始动作。但是,运算放大器的输入端和输出端的相位总有差异。当输出和输出之间的相位相差180°时,负输入与正输入正好相同,原本应该减少的输出却得到了增大。(成为正反馈的状态。)如果在特定频段陷入这一状态,并且仍然保持原有振幅,那么就会产生该输出频率下的持续输出诱发自振。
Fig18_1.电压跟随器和反馈环路
- 输入输出端出现相位差的主要原因大致可分为两种:
- 由于运算放大器固有的特性
- 由于运算放大器以外的反馈环路的特性
2.1. 运算放大器的特性
Fig2a.及Fig2b.分别代表性地反映了运算放大器的电压增益—频率特性和相位—频率特性。数据表中也有这两张曲线图。
如图所示,运算放大器的电压增益和相位随频率变化。运算放大器的增益与反馈后的增益(使用电压跟随器时为0dB)之差即为反馈环路绕行一周的增益(反馈增益)。如果反馈增益不足1倍(0dB),那么,即使相位变化180º,回到正反馈状态,增益也将在电路中逐渐衰减,理论上不会引起自振。
反而言之,当相位变化180º后,如频率对应的环路增益为1倍,则将维持原有振幅;如频率对应的环路增益为大于1倍时,振幅将逐渐发散增大。在多数情况下,在振幅发散增大过程中,受最大输出电压等非线性要素的影响,振幅受到限制,将持续振荡状态。
为此,当环路增益为0dB时的频率所对应的相位与180º之间的差是判断负反馈环路稳定性的重要因素,该参数称为相位裕度。(Fig2b.)
如没有特别说明,单个放大器作为电压跟随器时,要保持足够相位裕度的。
注:数据表注明「建议使用6dB以上的增益」的放大器,不可用作电压跟随器。2.2. 运算放大器周边电路对反馈环路的影响
在实际应用中,构成电压跟随器并非象Fig18_1.那样简单地将输入端和输出端直接连接在一起。至少输出端是与某个负载连接在一起的。因此,必须考虑到该负载对放大器的影响。
例如,如Fig3.所示,输出端和接地之间接电容时,这一容量与运算放大器的输出电阻构成的时间常数造成相位滞后。(Fig2b.所示之状态可能变化为Fig2c.所这时,环路增益在输出电阻和C的作用下降低。同时,相位和增益之间不是比例关系,相位滞后成为决定性因素,使反馈环路失去稳定,最糟糕时可能导致自振。单纯地在电压跟随器的输出端和接地之间连接电容时的稳定性,不同运算放大器之间存在差异。
为解决Fig3.出现的问题,可采用Fig5.(a)、(b)所示方法。(a)图中插入R,消除因CL而产生的反馈环路相位滞后。(在高频区,R作为运算放大器的负载取代了CL而显现出来。)(b)则用C1来消除CL造成的相位滞后。
Fig4.是输入端需要保护电阻的运算放大器可能发生相位延迟造成自振问题。为解决Fig4.的问题,则可在输入保护电阻上并联一个尺寸适当的电容。一般被叫做“输入电容取消值”,其值约为10pF~100pF。Fig5. Fig3.的解决方法