使用運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器的穩(wěn)定性問(wèn)題
用電壓跟隨器使運(yùn)算放大器保持穩(wěn)定,須注意哪些問(wèn)題?
A:對(duì)于采用負(fù)反饋的放大電路,如何減少振蕩以保持穩(wěn)定,目前尚無(wú)定論。電壓跟隨器也不例外。
運(yùn)算放大器理想的運(yùn)行狀態(tài)是輸出電壓和輸入電壓為同相,即,當(dāng)負(fù)輸入端的印加電壓引起輸出增大時(shí),運(yùn)算放大器能夠相應(yīng)地使增加的電壓降低。不過(guò),運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端的相位總有差異。當(dāng)輸出和輸出之間的相位相差180°時(shí),負(fù)輸入與正輸入正好相同,原本應(yīng)該減少的輸出卻得到了增強(qiáng)。(成為正反潰的狀態(tài)。)如果在特定頻段陷入這一狀態(tài),并且仍然保持原有振幅,那么該輸出頻率和振蕩狀態(tài)將一直持續(xù)下去。
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FIg1. 電壓跟隨器和反饋環(huán)路
2. 輸入輸出端出現(xiàn)相位差的主要原因
其原因大致可分為兩種:
1,由于運(yùn)算放大器固有的特性
2,由于運(yùn)算放大器以外的反饋環(huán)路的特性
2.1. 運(yùn)算放大器的特性
Fig2a 及Fig2b分別代表性地反映了運(yùn)算放大器的電壓增益—頻率特性和相位—頻率特性。數(shù)據(jù)手冊(cè)中也有這兩張曲線圖。
如圖所示,運(yùn)算放大器的電壓增益和相位隨頻率變化。運(yùn)算放大器的增益與反饋后的增益(使用電壓跟隨器時(shí)為0dB)之差,即為反饋環(huán)路繞行一周的增益(反饋增益)。如果反饋增益不足1倍(0dB),那么,即使相位變化180o,回到正反饋狀態(tài),負(fù)增益也將在電路中逐漸衰減,理論上不會(huì)引起震蕩。
反而言之,當(dāng)相位變化180o后,如頻率對(duì)應(yīng)的環(huán)路增益為1倍,則將維持原有振幅;如頻率對(duì)應(yīng)的環(huán)路增益為大于1倍時(shí),振幅將逐漸發(fā)散。在多數(shù)情況下,在振幅發(fā)散過(guò)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(tài)。
為此,當(dāng)環(huán)路增益為0dB時(shí)的頻率所對(duì)應(yīng)的相位與180o之間的差是判斷負(fù)反饋環(huán)路穩(wěn)定性的重要因素,該參數(shù)稱(chēng)為相位裕度。(Fig2b.)
如沒(méi)有特別說(shuō)明,單個(gè)放大器作為電壓跟隨器時(shí),要保持足夠相位裕度的。
注:數(shù)據(jù)手冊(cè)注明「建議使用6dB以上的增益」的放大器,不可用作電壓跟隨器。
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在實(shí)際應(yīng)用中,構(gòu)成電壓跟隨器并非象Fig1.那樣簡(jiǎn)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(gè)負(fù)載連接在一起的。因此,必須考慮到該負(fù)載對(duì)放大器的影響。
例如,如Fig3.所示,輸出端和接地之間接電容時(shí),這一容量與運(yùn)算放大器的輸出電阻構(gòu)成的常數(shù)造成相位滯后。
(Fig2b.所示之狀態(tài)可能變化為Fig2c所示之狀態(tài))這時(shí),環(huán)路增益在輸出電阻和C的作用下降低。同時(shí),相位和增益之間不再有比例關(guān)系,相位滯后成為決定性因素,使反饋環(huán)路失去穩(wěn)定,最糟糕時(shí)可能導(dǎo)致震蕩。單純地在輸出端和接地之間連接電容,構(gòu)成電壓跟隨器時(shí),每種運(yùn)算放大器之間的穩(wěn)定性存在差異。
Fig4.為輸入端需要保護(hù)電阻的運(yùn)算放大器可能發(fā)生的問(wèn)題。
為解決Fig3.出現(xiàn)的問(wèn)題,可采用Fig5.(a)、(b)所示之方法。(a)圖中插入R,消除因CL而產(chǎn)生的反饋環(huán)路相位滯后。(在高頻區(qū),R作為運(yùn)算放大器的負(fù)荷取代了CL而顯現(xiàn)出來(lái)。) (b)則用C1來(lái)消除CL造成的相位滯后。
為解決Fig4.的問(wèn)題,則可在輸入保護(hù)電阻上并聯(lián)一個(gè)尺寸適當(dāng)?shù)碾娙?。一般被叫做“輸入電容取消值”的近似值約為10pF~100pF。
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FIg5. FIg3.解決方法
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