一種高速運(yùn)算放大器電路自激振蕩機(jī)理分析與改善方法

閆 穩(wěn)，王 梅，張 楨

（中國航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安710068）

0 引 言［1］

目前廣泛應(yīng)用的高速電壓型集成運(yùn)算放大器是一種開環(huán)高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)不同用途的電路。例如利用集成運(yùn)算放大器可完成信號(hào)放大、信號(hào)運(yùn)算（加、減、乘、除、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、平方、開方等）、信號(hào)的處理（濾波、調(diào)制）以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運(yùn)放的工作區(qū)域可以分為線性放大區(qū)和飽和非線性區(qū)兩種。如果引入負(fù)反饋電路，則工作于線性區(qū)域，用于構(gòu)成各種運(yùn)算放大器電路。對(duì)于負(fù)反饋放大電路，反饋深度愈大，對(duì)放大電路性能改善就愈明顯，但是，反饋深度過大將引起放大電路產(chǎn)生自激振蕩。

本文在深入分析運(yùn)算放大器電路深度負(fù)反饋機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了一種在放大器后一級(jí)加滯后網(wǎng)絡(luò)的方式，提高了自激頻率，增大了放大器帶寬。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路的正確性。

1 負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩的原理［2］

1.1 產(chǎn)生自激振蕩的原因及條件

1.2 負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定性判斷

自激振蕩的判斷方法為：首先是看相位條件，只有相位條件滿足，才有可能自激。圖1 所示為負(fù)反饋放大器幅頻特性和相頻特性曲線。

圖1 中，fc為附加相移φ＝－180°時(shí)的頻率，稱為“臨界頻率”；f0為201g｜｜＝0時(shí)的頻率，稱為“剪切頻率”。

如圖1（a），當(dāng)相位條件滿足附加相移φ＝±180°時(shí)（即f＝fc時(shí)），若｜｜≥1 （即201g｜｜≥0），則電路不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生自激。｜｜＞1 時(shí)起振，振蕩穩(wěn)可知：當(dāng)1＋接近0時(shí)，｜｜＝∝。這說明即使無信號(hào)輸入，也有輸出波形，這就產(chǎn)生了自激振蕩。

下面分析產(chǎn)生自激振蕩的條件。

放大電路的放大倍數(shù)和相位偏移隨頻率而變化。當(dāng)頻率變高或變低時(shí)，輸出信號(hào)和反饋信號(hào)將產(chǎn)生附加相移。若附加相移達(dá)到±180°，則反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相，負(fù)反饋電路變成正反饋。反饋信號(hào)加強(qiáng)，當(dāng)反饋信號(hào)大于凈輸入信號(hào)時(shí)，即使去掉輸入信號(hào)也有信號(hào)輸出，產(chǎn)生了自激振蕩。即：幅后｜｜＝1 。

如圖1 （b），當(dāng)相位條件滿足附加相移φ＝±180°時(shí)（即f＝fc時(shí)），若｜｜＜1 （即201g｜｜＜0），則電路穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生自激。

圖1 負(fù)反饋放大器幅頻特性和相頻特性曲線

由圖1 可以看出，fc≤f0時(shí)，負(fù)反饋放大電路不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生自激；fc＞f0時(shí)，負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定，不會(huì)自激。

衡量負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定程度的指標(biāo)是“幅值裕度r”和“相位裕度φm”。一般在電路設(shè)計(jì)中要求：r＞6 dB，φm＞45°。

2 一種高速運(yùn)算放大器自激振蕩試驗(yàn)電路

2.1 實(shí)驗(yàn)電路

為了驗(yàn)證高速運(yùn)算放大器自激過程，以高速運(yùn)放AD713 組成的一種信號(hào)采集電路作為分析對(duì)象，試驗(yàn)電路如圖2 所示。

圖2 自激試驗(yàn)電路

2.2 AD713 特性分析［3］

圖3 為廠家提供的AD713 開環(huán)特性曲線。

從圖3 可知，該放大器帶寬B＝4 MHz ，即201g｜˙A˙F｜＝0；當(dāng)fc＝10 MHz 時(shí)，φ＝－180°，放大器相位裕度φm＝＋60 °。故負(fù)反饋放大電路在f0≤4 MHz開環(huán)工作時(shí)穩(wěn)定，不會(huì)自激。

圖3 AD713 開環(huán)增益、相位裕度與頻率的關(guān)系圖

2.3 AD713 接成深度負(fù)反饋時(shí)試驗(yàn)分析

圖2 中的第一級(jí)接成具有深度反饋放大器—跟隨器。其閉環(huán)增益｜｜＝1 。

（1）測(cè)量方法

用信號(hào)發(fā)生器，給由AD713 組成的電壓跟隨器電路輸入各種頻率的正弦波。用示波器同時(shí)監(jiān)測(cè)AD713 的輸入和輸出，對(duì)比其相位的差異。

將AD713 同相輸入端接信號(hào)發(fā)生器，用示波器表筆2 監(jiān)測(cè)。示波器表筆1 串聯(lián)一個(gè)5 kΩ的電阻后，接AD713 的輸出端。示波器表筆如果不串電阻就接AD713 的輸出端，其寄生電容會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放工作不穩(wěn)定。

（2）測(cè)量結(jié)果

當(dāng)其后級(jí)的多路選擇器選通時(shí)，圖4 是不同頻率輸入信號(hào)時(shí)的輸出波形，測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

表1 故障AD713 芯片的測(cè)量結(jié)果（后級(jí)的多路選擇器選通）

圖4 不同頻率輸入信號(hào)時(shí)的輸出波形

由表1 可看出：當(dāng)后級(jí)多路選擇器選通時(shí)，由AD713 組成的電壓跟隨器的相頻特性主要參數(shù)如下：

（1）附加相移φ＝－180°時(shí)的頻率fc＝2.5 MHz ；

（2）201g｜˙A˙F｜＝0時(shí)的頻率f0＝3.125 MHz 。

與圖1（a）情況一致，fc≤f0負(fù)反饋放大電路不穩(wěn)定，即f≥2.5 MHz 時(shí)，電路自激。

2.4 改善放大器自激振蕩的方法

根據(jù)上節(jié)分析，欲改善放大器的自激性能，必須將自激振蕩器頻率向高頻移動(dòng)，增加放大器帶寬范圍。采取的方法是減少放大器后一級(jí)電路對(duì)相位的延時(shí)。試驗(yàn)中在后一級(jí)跟隨器的輸入端對(duì)地接一個(gè)470 pF的電容，自激頻率f≥4 MHz 。如圖5 所示。

圖5 放大器改善電路

3 結(jié) 論

常用的集成運(yùn)算放大器大多數(shù)內(nèi)部已設(shè)置消除自激振蕩的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，但是有時(shí)還需采用外部相伴補(bǔ)償電路消除自激。外部相伴補(bǔ)償電路有兩種方式：一種是采用頻率補(bǔ)償?shù)姆绞?，主要是在基本電路或反饋網(wǎng)絡(luò)中加入補(bǔ)償元件來改變反饋放大電路的開環(huán)頻率特性，從而破壞自激振蕩的條件，滿足穩(wěn)定裕度；另一種方式是采用滯后補(bǔ)償?shù)姆绞剑疚牟捎玫诙N方法，有效地改善了AD713 放大器組成跟隨器的自激特性。

［1］謝嘉奎.電子線路（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［2］胡壽松.自動(dòng)控制原理（第四版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［3］孫宏杰.新一代通用型高速高阻運(yùn)算放大器AD711 ～AD713［J ］.實(shí)用無線電，1996 ，（6）：15－17.