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电容型负载对跟随器的影响,使用方法看一看

cac55 2025-01-10 11:54 23 浏览 0 评论

运放是电路中使用很频繁的元件,使用运放搭建的运放纷繁复杂。在这里仅以很简单地跟随器做一个分析。跟随器电路在电路中将输入输出隔离,有阻抗匹配的作用,但跟随器是一个负反馈的电路,用到了负反馈了就会有输出振荡的问题,需要考虑电路系统的稳定性。下图分别使用LM318,,ua741,LM709三个运放搭建的跟随器,在阶跃信号的激励下,在电阻性负载的情况下。输出的电压波形差别很大。

造成这种输出波形的不同,很显然是系统的相位裕度(phase margin)不够。在这里,不对传递函数和零极点等方面做进一步分析,主要通过仿真来观看电容型负载对运放的负反馈电路造成的影响。在工程电路中,一般定义PM=60°,那么系统就会是稳定的。但也不是PM越大越好,由于PM可以看作是系统进入不稳定状态之前可以增加的相位变化,PM越大,系统越稳定,但同时时间响应速度减慢了。所以在这个结论看来,VF3的PM是最大,VF1的PM最小。VF2的PM是比较理想的值,PM太大会过冲比较,振荡周期长。PM太小,响应速度又太慢了。通过仿真也可以看出,确实是这样的预期:

在仿真看来,LM318搭建的跟随器电路的PM是最小的,输出电压波形也是过冲的,看起来也不是不可以接受的。但是这是电阻性负载,如果是电容型负载,这种振荡现象会很明显的,如下图仿真。出现这种振荡波形,基本上就是不能接受的。

出现这种现象,主要是由于运放内部是由很多晶体管组成,信号每经过一个晶体管,就会产生极点的。组成负反馈后,再加上电容型负载,就会造成PM不够。下图是运放内部的简要示意图,由于存在输出阻抗Ro=100,在使用电容型负载的时候,Ro和CL就会形成一个极点,从而造成PM不够的。

既然存在了这个输出极点的问题,那么就要“斩断”这个极点,常用的做法就是在反馈节点和CL串联一个小电阻,将CL和反馈网络之间的联系断开。通过仿真来看,确实增加了PM,输出电压波形也没有振荡的。

这种改进方式是简单有效的。因此在很多实际电路中,无论是不是电容型负载,中间串联一个电阻,避免PM过低的现象发生。即使不是电容型负载,毕竟在电路板中是存在寄生电容的,这个还是会存在干扰的;

实际还可以进一步讨论,运放内部的输出阻抗Ro要是增大会怎么样呢?可以在运放输出端串联一个电阻,加入反馈 ,用来模拟运放内部的输出阻抗Ro。从仿真结果可以很清晰地看到,相位余量会更小,输出电压的波形会持续振荡,根本不收敛。在这种情况下的电路是基本不能使用的。造成这个现象就是由于Ro的增加,Ro和CL组成的极点频率减小,让相位余量降低很快。

对于这种电路,可以通过上文的方式改进。除此之外,不增加串联电阻,还有其他方式调整,比如使用R2和C4组成滤波器,通过将输出电压信号的高频分量前馈到放大器的反相输入端,来抵消相位余量的损失,从而保持整个反馈环路的相位余量;这种电路的改进方式稍微复杂一些,但是改进相位余量的空间更大,驱动的电容型负载也更大。

通过这个简单的跟随器电路说明,对于电容型负载,很多运放不是单位增益稳定,在负反馈电路的接法中,需要满足最小闭环放大倍数的条件,系统才能稳定,比如下面AD847的datasheet中就明确指出,需要系统稳定,需要达到Gain=2的最小放大倍数。当然很多运放就是单位增益稳定,只是价格更高,在挑选运放的时候要注意;

这个电路虽然看起来很简单,但由于运放使用的广泛性,掌握后用起来就很方便的。比如推挽电路用起来很方便,但是存在交越失真,但是单独使用运放的跟随器电路驱动能力又不够的问题。但是使用运放和推挽电路的结合,就能解决这个问题的。见下面的仿真数据。但是使用了运放和推挽电路的结合,系统的稳定性问题就出来了,相位余量考虑不够的话,就会造成电路的工作不正常。

这种电路在电容型负载的时候,相位余量不够,输出振荡。要是电路不能增加串联电阻,就要考虑增加电容,使用前馈的方式增加PM。改善电路的方式很多,电路越复杂,改进起来就越麻烦,了解多一些的改进方式,也就多一些思路。

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作者:kk的回忆

原标题:电容型负载对跟随器的影响,使用方真看一看!


原作者:
kk的回忆


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