运放稳定性与振荡

1 运放振荡原因

        波特图是分析稳定性的一种很好工具，但它不够直观。如图1所示，在时域上可以更直观看到输出信号的波动，反馈回路延迟越大，输出波动越明显。因为当反馈信号延迟时，会产生问题。在环路中存在延迟的情况下，放大器不会立即检测到其达到最终值的进度。它会以过快地冲向适当输出电压的方式过度反应。请注意反馈延迟情况下的较快初始斜坡速率。反相输入无法及时收到馈，当它确实已达到并越过适当的输出电压。它会对其标记进行过冲，并需要多次连续的较小极性更正，然后才能最终稳定。

        

图1 

           如图2所示，延迟源通常是简单的低通电阻器/电容器 (RC) 网络。通常会遇到两种情况： RC 网络会不经意的进入电路。

        第一种情况与电容性负载有关（图 2a）。电阻器是运算放大器的开环输出电阻，电容器是负载电容。
        第二种情况（图 2b）反馈电阻和运放输入电容形成了 RC 网络。电路板连接也会增加该敏感电路节点处的电容。请注意，这两个电路具有相同的反馈环路。唯一的差异是获取输出的节点。从环路稳定性的角度而言，它们可能会带来相同的问题。这两种延迟反馈的原因通常结合在一起发生 – 两种原因一起可以使问题加倍。

图2  

2 运放振荡解决措施

        如果受反馈网络电阻影响的运算放大器输入电容（加上一些杂散电容）形成的相移或者延迟过大，则简易前相放大器便会不稳定，或者出现过度过冲和振铃（图 3）。或许能够通过减少该节点的杂散电容来实现一些改进，从而将这种连接的电路板线路面积降至最低。对于给定的运算放大器，输入电容（差分电容加共模电容）是固定值 。不过，可以按比例减小反馈网络的电阻值，以保持增益不变。
        降低电阻可将该电容所产生的极点移至更高频率并减小延迟时间常量。本例中，将电阻减小至 5kΩ 和 10kΩ，获得了明显改善，但仍然产生了约 10% 过冲，并出现了振铃。另外，它还给运算放大器带来额外的负载，因此不能过分依赖该解决方法。两个电阻器之和是运算放大器的负载，因此该电阻不希望它太低。

图3

        更好的解决方案可能是一个电容器 Cc 与 R2 并联（图4）。当R1×Cx = R2×Cc 时，分压器获得补偿，并且所有频率的阻抗比都是恒定的。反馈网络中不会出现相移或延迟。

图4 

        可以把反馈网络比作 10 倍示波器探针中的补偿衰减器（图 5）。概念是相同的，探针中的可变电容器允许进行调节，以便使两个时间常量相等。请注意，该示波器探针的响应从不会表现出不稳定，即使调节不当也是如此。为什么？因为它并不在反馈环路内部。
        正如可以调节示波器探针中的某个电容器以微调补偿一样，可能也需要调节 Cc 的值，如图 4中所示。由于杂散电容存在不确定的影响，因此可能无法知道电容 Cx 的准确大小。此外，可能希望微调电路的响应以达到要求，这样做可能会产生一些过冲，但可以获得更高的速度和更佳的带宽。
        不稳定的另一种常见原因是具有电容性负载的运算放大器。这种情况又在环路中产生了相移（延迟反馈），这正是问题的根源。这一次的情况很复杂，因为开环输出电阻在运算放大器内部。无法穿过该电阻器连接一个补偿电容器。实际上，它并非为一个真正的电阻器，它是运算放大器电路的一个“等效”输出电阻。

图5

3 运放驱动容性负载

        “麻烦制造者”运算放大器开环输出电阻 (Ro)，实际并非运算放大器内部的一个电阻器。它是一个依赖于运算放大器内部电路的等效电阻。如果不改变运算放大器，就不可能改变它。CL 为负载
电容。如果您想驱动某个 CL ，您就会受困于 Ro 和 CL 形成的极点。G=1 时，20MHz 运算放大器的反馈环路内部 1.8MHz 极点便会带来问题。在图6中一探究竟。
        该问题的解决方案有一个共同的主题 – 降低放大器的速度。想想看：环路具有定量延迟，来自 Ro 和 CL 。为了适应这种延迟，放大器必须更慢地响应，这样它才不至于快速越过，从而过冲所需的最终值。

图6 

        减速的一种好办法是，将运算放大器置于更高的增益中。更高的增益可降低闭环放大器的带宽。图7显示了驱动相同的 1nF 负载但增益为 10 的 OPA320。对小步长的响应性会得到极大提高，但仍然微不足道。将增益增加到 25 或更大，看起来会非常好。但出现了另一个问题。图8增益仍然为 10，但增加了 Cc，从而适当地更进一步降低了速度。Cc 过小时，响应看起来更像图 7。Cc 过大时，可能会出现问题，看起来更像图6。

图7

图8